论文部分内容阅读
超声断层成像（Ultrasound computed tomography,USCT）具有非侵入，无辐射，分辨率高等优点，对乳腺癌早期检测有着广泛的应用前景。其成像方式有两种:反射成像和透射成像，其中透射成像又包含声速成像和衰减成像。本论文主要研究了反射成像的相关算法，包括超声合成孔径断层成像，基于变分模态分解（Variational mode decomposition,VMD）相干因子类自适应超声断层成像，最小方差自适应超声断层成像和多波束合成超声断层成像算法。
超声合成孔径成像中最常使用的方法为延时叠加（Delay-and-sum,DAS）波束形成算法，该方法能简单有效的对超声图像进行重建，在超声产品中应用广泛。但是该方法存在波束主瓣宽度宽，旁瓣水平高的问题，重建图像的分辨率和对比度（Contrast ratio,CR）较低，因此有待改进。相干因子类（Coherence-based factor,CF）波束合成方法能够根据接收的信号自适应计算孔径的权重，使图像旁瓣水平更低。最小方差（Minimum variance,MV）自适应波束合成的方法能够减小主瓣宽度的同时抑制旁瓣的高度，可提高图像的分辨率。这些方法在传统的B超成像算法中也常常用来提高图像质量。本论文首次将相干因子类自适应波束合成方法和最小方差自适应波束合成方法引入到超声断层合成孔径成像，并对这些方法进行了分析比较。为了进一步改善图像质量，引入变分模态分解方法对回波数据进行模态分解，去掉含噪声较多的模态，对剩余模态的数据重新组合，用组合后的数据进行成像。最后将多波束(Multiline)合成技术引入到超声断层成像中，进一步改善前面所提到各种方法的成像质量。本论文开展了以下几方面的研究：
首先，将相干因子类波束合成方法应用于超声断层成像。幅度相干因子（The coherence factor,CF），相位相干因子（The phase coherence factor,PCF）和符号相干因子（The sign coherence factor,SCF）能够有效的抑制旁瓣，减少杂波，但是图像的整体亮度下降，甚至损失部分纹理信息。空间平滑相干因子（Spatio smoothed coherence factor,SSCF）在空间上对子孔径进行平均处理，创建重叠子阵列进行相干因子的计算，有效减少了杂波的影响，提高了图像对比度。空时平滑相干因子（Spatio-temporally smoothed coherence factor,STSCF）除了在空间上对子孔径平滑处理之外，在时间上能够计算多个时间样本的一个脉冲持续内的能量项。从而更好地抑制相干因子值波动引起的斑点亮度变化，进一步增强了图像的对比度。
其次，采用VMD方法对回波数据进行处理。VMD方法能够对数据进行模态分解，通过去掉低频模态的噪声信号，对保留的其他模态数据进行重新组合，得到新的回波数据，处理后的回波数据信噪比得到了提高，因此重建图像的质量更好。乳腺体膜和人体乳腺的实验表明，处理后的数据可以重建出信噪比更高的图像。
再次，基于MV波束形成方法的超声断层成像研究。MV方法能够提高图像的分辨率。本论文将MV波束形成的方法用于超声断层成像，采用乳腺体膜进行实验，结果表明，图像的旁瓣和杂波得到抑制，分辨率得到提高，但同时存在斑点方差增大，计算时间过长等问题。
最后，基于多波束合成方法的超声断层成像研究。采用多波束合成技术，一次发射产生多条接收波束，通过对发射波束进行多线接收，而生成具有扩展聚焦范围的图像。多线波束合成后的数据能够减少图像区域亮度的波动，有效抑制斑点噪声，提高信噪比(Signal to noise ratio,SNR)。另外，为了减小主瓣宽度，抑制栅瓣，对波束偏转角进行了分析。
综上所述，本论文研究了超声断层成像中的反射成像，分析了相干因子类波束合成方法和MV波束合成方法用于图像重建的优缺点，并利用VMD方法对数据进行处理并与相干因子类方法相结合成像，最后，将多波束合成的方法用于超声断层成像，最终得到最好的图像成像效果。本论文超声断层成像算法的研究为超声断层成像产品的开发以及该技术早日在临床上的使用奠定了理论基础。
超声合成孔径成像中最常使用的方法为延时叠加（Delay-and-sum,DAS）波束形成算法，该方法能简单有效的对超声图像进行重建，在超声产品中应用广泛。但是该方法存在波束主瓣宽度宽，旁瓣水平高的问题，重建图像的分辨率和对比度（Contrast ratio,CR）较低，因此有待改进。相干因子类（Coherence-based factor,CF）波束合成方法能够根据接收的信号自适应计算孔径的权重，使图像旁瓣水平更低。最小方差（Minimum variance,MV）自适应波束合成的方法能够减小主瓣宽度的同时抑制旁瓣的高度，可提高图像的分辨率。这些方法在传统的B超成像算法中也常常用来提高图像质量。本论文首次将相干因子类自适应波束合成方法和最小方差自适应波束合成方法引入到超声断层合成孔径成像，并对这些方法进行了分析比较。为了进一步改善图像质量，引入变分模态分解方法对回波数据进行模态分解，去掉含噪声较多的模态，对剩余模态的数据重新组合，用组合后的数据进行成像。最后将多波束(Multiline)合成技术引入到超声断层成像中，进一步改善前面所提到各种方法的成像质量。本论文开展了以下几方面的研究：
首先，将相干因子类波束合成方法应用于超声断层成像。幅度相干因子（The coherence factor,CF），相位相干因子（The phase coherence factor,PCF）和符号相干因子（The sign coherence factor,SCF）能够有效的抑制旁瓣，减少杂波，但是图像的整体亮度下降，甚至损失部分纹理信息。空间平滑相干因子（Spatio smoothed coherence factor,SSCF）在空间上对子孔径进行平均处理，创建重叠子阵列进行相干因子的计算，有效减少了杂波的影响，提高了图像对比度。空时平滑相干因子（Spatio-temporally smoothed coherence factor,STSCF）除了在空间上对子孔径平滑处理之外，在时间上能够计算多个时间样本的一个脉冲持续内的能量项。从而更好地抑制相干因子值波动引起的斑点亮度变化，进一步增强了图像的对比度。
其次，采用VMD方法对回波数据进行处理。VMD方法能够对数据进行模态分解，通过去掉低频模态的噪声信号，对保留的其他模态数据进行重新组合，得到新的回波数据，处理后的回波数据信噪比得到了提高，因此重建图像的质量更好。乳腺体膜和人体乳腺的实验表明，处理后的数据可以重建出信噪比更高的图像。
再次，基于MV波束形成方法的超声断层成像研究。MV方法能够提高图像的分辨率。本论文将MV波束形成的方法用于超声断层成像，采用乳腺体膜进行实验，结果表明，图像的旁瓣和杂波得到抑制，分辨率得到提高，但同时存在斑点方差增大，计算时间过长等问题。
最后，基于多波束合成方法的超声断层成像研究。采用多波束合成技术，一次发射产生多条接收波束，通过对发射波束进行多线接收，而生成具有扩展聚焦范围的图像。多线波束合成后的数据能够减少图像区域亮度的波动，有效抑制斑点噪声，提高信噪比(Signal to noise ratio,SNR)。另外，为了减小主瓣宽度，抑制栅瓣，对波束偏转角进行了分析。
综上所述，本论文研究了超声断层成像中的反射成像，分析了相干因子类波束合成方法和MV波束合成方法用于图像重建的优缺点，并利用VMD方法对数据进行处理并与相干因子类方法相结合成像，最后，将多波束合成的方法用于超声断层成像，最终得到最好的图像成像效果。本论文超声断层成像算法的研究为超声断层成像产品的开发以及该技术早日在临床上的使用奠定了理论基础。