相控診斷超聲成像波束控制技術研究.pdf

1、超聲波在生物體中傳播時，組織特性差異導致回波信號的幅度、相位、時間等參量發(fā)生改變。通過對回波信號的轉換、重建或反演處理，診斷超聲成像技術可獲得待測生物組織結構信息。作為一種無創(chuàng)診斷手段，診斷超聲成像技術已成為醫(yī)學臨床診斷不可或缺的常規(guī)診斷技術之一。
　　相控診斷超聲成像技術采用電子聚焦與掃描技術，在整個視場范圍內(nèi)均可獲得具有良好的時間特性與空間特性的聚焦波束，經(jīng)相控波束形成重建聲像圖具有分辨率高、動態(tài)范圍大、幾何失真小等特點。因此

2、，與傳統(tǒng)超聲成像技術相比，相控診斷超聲成像技術可顯著提高成像質量。本文從診斷超聲數(shù)據(jù)處理前端入手，針對相控診斷超聲成像中的波束設計及實現(xiàn)技術進行了深入研究，提出了三種不同復雜度的波束形成算法，提高成像空間分辨率、時間分辨率與均勻性，最后給出了一種48通道高集成度、可編程的、可滿足波束形成算法研究與新興超聲臨床應用研究的相控診斷超聲成像系統(tǒng)設計方案，解決了其中的主要關鍵技術并進行了驗證。本文主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　(1)對超

3、聲成像理論基礎進行了論述，根據(jù)波動方程給出了不同形狀換能器單頻連續(xù)波輻射聲場與脈沖激勵聲場計算模型，并對影響輻射聲場特性的因素及改善方法進行了分析。在此基礎上，給出了相控脈沖回波成像模型，仿真分析表明根據(jù)接收回波信號可以完全重構由散射介質引起的聲場變化，通過改善聲場分布特征可顯著提高成像質量。
　　(2)全面分析了相位控制精度、聚焦控制與波束指向性控制對于提高成像動態(tài)范圍與空間分辨率的關系，并據(jù)此提出了一種可成倍提高成像時間分辨率

4、的實時波束形成算法。該方法采用4并行接收波束使得成像幀頻提高4倍，同時通過抑制發(fā)射波束旁瓣幅度與控制主瓣寬度獲得高質量的圖像。仿真結果表明采用該方法成像對比度明顯優(yōu)于常規(guī)延時累加波束形成算法。
　　(3)提出了一種基于子空間法的低復雜度穩(wěn)健自適應波束形成算法。該方法首先采用Toeplitz矩陣預處理結合特征值重構法提高采樣協(xié)方差矩陣估計精度，然后采用特征子空間波束形成法實現(xiàn)孔徑權值的自適應計算。針對點散射目標與囊腫目標仿真實驗表明

5、，該方法不僅可有效解決回波信號相干干擾問題，避免了傳統(tǒng)空域平滑算法導致的有效孔徑損失，而且可實現(xiàn)側向分辨率與對比度的同時提高。
　　(4)研究了非線性最小二乘支持向量回歸算法在波束形成中的應用。該方法采用二次代價函數(shù)取代傳統(tǒng)最小方差無失真響應波束形成算法中的線性約束條件，顯著提高存在模型失配時波束形成器的穩(wěn)健性與干擾抑制能力，采用高斯核函數(shù)則使得算法的泛化能力得以擴展，然后，推導了解的快速迭代求解方法，使得算法的實時運行得以實現(xiàn)。

6、最后，基于奇異性準則提出了一種可有效削減解的規(guī)模的稀疏化算法。仿真結果表明該算法在導向矢量失配、復雜多干擾與樣本快拍數(shù)受限等情況下，不僅可保持良好的主瓣指向性，而且旁瓣幅度明顯低于傳統(tǒng)自適應波束形成算法。
　　(5)采用模塊化設計思想與可重構邏輯設計技術，設計了一套高性能、高集成度的、可滿足波束形成算法研究與新興超聲臨床應用技術研究需要的相控超聲成像平臺。該平臺可產(chǎn)生48獨立通道、脈沖寬度與脈沖數(shù)可調的發(fā)射脈沖與實現(xiàn)48路回波信號

7、的12 bit精度50MHz采樣。在發(fā)射時，采用兩級可變延時控制結構，在較低系統(tǒng)工作頻率下使發(fā)射脈沖延時控制精度達1.25 ns；在接收時，采用基于最小均方誤差的分數(shù)時延多相濾波技術提高接收相位控制精度與實現(xiàn)逐點動態(tài)聚焦。此外，對于相控診斷超聲波束形成中的發(fā)射脈沖設計技術、掃描控制技術、多通道同步數(shù)據(jù)采集技術、波束形成器設計與實現(xiàn)技術進行了詳盡闡述。
　　作為相控陣列成像技術基礎研究的一部分，本文研究成果可為多種新興成像技術的研究