专利名称：一种帧相关方法及其装置、以及超声成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声成像领域，具体涉及一种帧相关方法及其装置、以及利用该方法的超声成像系统。
背景技术：
在B型超声成像系统中，影响超声图像质量(如信噪比、对比分辨率)的噪声通常包含硬件系统的随机噪声和斑点噪声。为改善图像质量，超声成像系统中通常采用复合技术，包括空间复合技术、频率复合技术和时间复合技术。其中，时间复合技术即帧相关处理技术，因其实现成本较低、且几乎不降低空间分辨率，而常被超声成像系统所采用。一般的帧相关处理可以通过选取相邻几帧图像求平均实现。不同时刻的超声图像中的随机噪声不相关，因此通过对不同时刻的图像进行平均可以有效提高图像信噪比。虽然静止目标产 生的斑点噪声不是随机的，但实际上人体内组织的运动和超声探头的运动都会改变斑点噪声，因此，不同帧超声图像中的斑点噪声通常也具有较弱的相关性，从而利用对多帧图像进行平均的技术同样可以降低斑点噪声的影响，提高图像的对比分辨率。然而帧相关处理在对剧烈运动目标(如心脏成像中快速运动的心肌和瓣膜)进行成像时，将可能导致图像的时间分辨率下降和运动模糊。当考虑到节省存储和计算资源时，帧相关通常由一阶递归低通滤波实现，公式表示为Y(K) = α Υ(Κ-1) + (1-α )Χ(Κ)，0 < α < I式中X(K)表示当前帧图像，Y(K)表示当前帧图像帧相关后的输出值，Y(K-I)表示上一帧图像帧相关后的输出值，α为可调节的帧相关系数。目前，一些帧相关技术的基本思想是在当前时刻图像X(K)和前一时刻图像帧相关后的结果Y(K-I)之间，根据其中一个或者两者之间的关系进行帧相关系数或权重的确定。在X(K)和Y(K-I)之间进行帧相关计算或加权时，往往使用基于像素或体素的方式逐点进行系数计算，即需要为图像中的每个像素点或体素点确定一个帧相关系数，然后进行帧相关计算或加权平均。而且，这种方法没有考虑前一时刻图像和后一时刻图像之间的位移，不能在去噪的同时避免运动模糊，且计算量大。
发明内容
为了在达到抑制噪声的同时，减弱帧相关带来的运动模糊，本发明实施方式提供一种帧相关方法及其装置，基于前后两个时刻的图像估计出图像的位移场，同时帧相关程度随位移估计的准确性做自适应的变化，避免图像层内运动时帧相关估计导致的图像模糊和拖尾等现象。根据本发明的一种实施方式，提供一种帧相关方法，包括位移估计步骤，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点进行位移估计，获得该像素点或体素点的位移场参数，包括该像素点或体素点与其在上一时刻图像中的同名点之间的位移关系、以及位移估计不确定性参数；帧相关计算步骤，用于根据所述位移场参数确定帧相关系数，并利用所述帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得所述当前时刻图像帧相关后的结果图像。在本发明的一种实施例中，位移估计步骤之前还包括控制点选择步骤，用于在当前时刻图像上选择至少一个控制点，将该控制点作为当前时刻图像中指定的像素点或体素点。在本发明的又一种实施例中，位移估计步骤之前还包括位移初始化步骤，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点设置初始位移。在本发明的另一种实施例中，帧相关处理步骤之前还包括插值步骤，用于根据所述位移关系，通过插值获得当前时刻图像上每一像素点或体素点的位移场参数。 根据本发明的另一种实施方式，提供一种帧相关装置，包括位移估计模块，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点进行位移估计，获得该像素点或体素点的位移场参数，包括该像素点或体素点与其在上一时刻图像中的同名点之间的位移关系、以及位移估计不确定性参数；帧相关计算模块，用于根据所述位移场参数确定帧相关系数，并利用所述帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得所述当前时刻图像帧相关后的结果图像。在本发明的一种实施例中，帧相关装置还包括控制点选择模块，用于在当前时刻图像上选择至少一个控制点，将该控制点作为当前时刻图像中指定的像素点或体素点。在本发明的又一种实施例中，帧相关装置还包括位移初始化模块，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点设置初始位移。在本发明的另一种实施例中，帧相关装置还包括插值模块，用于根据所述位移关系，通过插值获得当前时刻图像上每一像素点或体素点的位移场参数。本发明实施方式通过位移估计能保证进行帧相关计算的每两个像素点或体素点间是真正匹配的，同时，结合位移估计效果生成帧相关系数可以避免探头快速移动或组织运动时，位移估计误差对帧相关计算的影响，避免因帧相关计算导致图像的模糊和拖尾现象。
图I为根据本发明的一种实施方式的超声成像系统原理性示意图；图2为根据本发明的一种实施方式的帧相关装置的结构示意图；图3为根据本发明实施方式一的帧相关方法的流程示意图；图4为根据本发明实施方式二的帧相关方法的流程示意图；图5为根据本发明一种实施方式对图像数据进行帧相关处理的示意图；图6为根据本发明实施方式三的帧相关方法的流程示意图；图7为图6所示实施方式中位移初始化原理性示意图；图8为根据本发明实施方式四的帧相关方法的流程示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
结合附图对本发明作进一步详细说明。
数字或数字化图像，包括超声成像的图像等，是在显示屏幕或打印拷贝上的具有一定外观的小的二维点或三维点的阵列，所述点在二维图像中称为像素点，在三维图像中称为体素点。可以理解，当涉及点的邻域时，像素点的邻域为二维的图像块，而体素点的邻域为三维的长方体。为后续描述方便，本文给出如下定义(I)对应点假设当前时刻图像中的某一像素点的坐标位置为(m，η)，上一时刻图像中对应于(m，η)的点则称为该像素点的对应点；同样地，假设当前时刻图像中某一体素点的坐标位置为(m,η, I),则上一时刻图像中对应于(m,n,l)的点称为该体素点的对应点。(2)同名点或匹配点假设上一时刻图像与当前时刻图像存在位移，当前时刻图像中的某一像素点或体素点位移前在上一时刻图像中的点称为该像素点或该体素点的同名点或匹配点。 (3)位移场参数包括当前时刻图像中的像素点(X，y)或体素点(X，y, z)与上一时刻图像中该像素点或体素点的同名点之间的位移关系(xmove(x, y), ymove(x, y))或(xmove(x,y,z), ymove (x, y, z), zmove (χ, y, ζ)),以及该点的位移估计不确定性参数 Err (χ,y)或 Err (χ, y, ζ)。帧相关技术可以降低超声图像中的噪声，提高图像的对比分辨率和信噪比，从而提高超声图像的清晰度和可读性，是各个超声系统中必不可少的一个环节。由于不同时间的图像具有相对独立的噪声，通过序列图像的时域复合即可有效抑制噪声，提高图像质量。但不同器官的运动程度不一样，即使是同一个器官的相邻两帧图像，不同区域的运动程度也不相同，采用传统技术进行帧相关后，运动剧烈的区域很容易产生运动模糊，从而降低了图像质量。基于此，本发明实施方式的总体思想是对图像进行位移估计，对运动程度不同的的帧相关程度也有所区别。例如，利用连续的相邻两个时刻的图像确定图像的相对位移，同时基于位移估计的准确性生成帧相关系数，根据帧相关系数进行帧相关运算。这样可以根据位移估计补偿图像内运动，同时根据图像内容来自动调节相关系数，在达到抑制噪声的同时，减弱巾贞相关带来的运动模糊。本发明实施方式提供了一种超声成像系统，如图I所示，发射模块110通过探头120发射超声波进入人体，经人体的组织反射后，被接收模块130接收，接收的回波信号经过信号处理环节140进行处理得到图像数据，然后送入帧相关装置150进行帧相关处理，最后由显示模块160进行显示。其中帧相关装置150采用本发明实施方式提供的帧相关装置，用于降低超声成像系统中的噪声，提高图像的对比分辨率和信噪比，从而提高超声图像的清晰度和可读性。如图2所示，本发明一种实施方式提供的帧相关装置包括位移估计模块205，用于对所述控制点进行位移估计，获得所述控制点的位移场参数，包括控制点及其在上一时刻图像中的同名点之间的位移关系、以及所述控制点的估计不确定性参数；帧相关计算模块209，用于根据所述位移场参数确定帧相关系数，并利用所述帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得所述当前时刻图像帧相关后的结果图像。其中，利用所述帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关的方法可以是利用所述帧相关系数对上一时刻图像帧相关后的结果图像和所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得所述当前时刻图像帧相关后的结果图像。
仍如图2所示，另一种帧相关装置的实施方式是在前述帧相关装置实施方式的基础上增加控制点选择模块201，用于在当前时刻图像上选择至少一个控制点，将该控制点作为当前时刻图像中指定的像素点或体素点。一种实施例中，控制点选择模块201包括判断单元，用于判断当前时刻图像中的像素点或体素点与其在上一时刻图像中的对应点是否都为非噪声点，如果都为非噪声点，则选择该像素点或体素点为控制点。仍如图2所示，另一种帧相关装置的实施方式是在前述帧相关装置实施方式的基础上增加位移初始化模块203，用于对控制点选择模块201选择出的控制点设置初始位移。再回到图2，又一种帧相关装置的实施方式是在上一实施方式的基础上增加插值模块207，用于根据位移估计模块205得到的位移关系，通过插值获得当前时刻图像上每一像素点或体素点的位移场参数。应理解，本发明帧相关装置的实施方式还可以是上述各实施方式的简单变形。本发明实施方式还提供了实现上述帧相关装置的帧相关方法，以下结合图3-8详 细说明根据本发明实施方式提供的帧相关方法。实施方式一如图3所示，本实施方式提供的帧相关方法的流程包括位移估计步骤S305，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点进行位移估计，获得该像素点或体素点的位移场参数，包括该像素点或体素点与其在上一时刻图像中的同名点之间的位移关系、以及位移估计不确定性参数；帧相关计算步骤S309，用于根据所述位移场参数确定帧相关系数，并利用帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得当前时刻图像帧相关后的结果图像。其中，利用所述帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关的方法可以是利用所述帧相关系数对上一时刻图像帧相关后的结果图像和所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得所述当前时刻图像帧相关后的结果图像。本实施方式基于前后相邻两个时刻的图像的位移场参数，使帧相关程度随位移估计的准确性做自适应的变化，从而在达到抑制噪声的同时，减弱帧相关带来的运动模糊。实施方式二 如图4所示，本实施方式相对于前述实施方式增加了“控制点选择”，是为了减小计算量和剔除不容易跟踪的像素点或体素点。该实施方式的帧相关方法的流程包括控制点选择步骤S401、位移估计步骤S405、帧相关计算步骤S409。控制点选择步骤S401，具体而言，在当前时刻图像X(K)中选择至少一个控制点，将该控制点作为位移估计步骤中指定的像素点或体素点。一种实施例中，通过预定步长在图像X(K)中进行采样得到采样点，该采样点即为控制点。然而，这种方法得到的控制点过多，导致计算量很大，影响算法速度。另一种实施例是基于采样点邻域的平均亮度对采样点作进一步筛选，即对每个采样点基于预定大小的邻域计算每个采样点邻域的平均亮度，若平均亮度小于给定阈值则判断为噪声区域或者心室大血管等管腔区域，若平均亮度大于给定阈值则判断采样点为控制点。这种方法虽然可以减小计算量，但受图像增益及阈值参数的影响较大。在本发明的一种实施例中，采用如下方式选择控制点根据预定步长对当前时刻图像X(K)进行采样得到采样点，预定步长可根据实验值设定，实施例中设定为4-10个像素大小；计算每个采样点在预定邻域内的均值Mean和方差STD，预定邻域的大小可根据实验值设定，实施例中设定为6-10个像素；根据方差与均值的比值(即STD/Mean)和预定阈值进行判断，预定阈值可根据实验值设定，实施例中设定为(O. 5-1)之间，若该比值大于或等于预定阈值，则判定该采样点为噪声点，若该比值小于预定阈值，则判定该采样点为控制点。该实施例采用STD/Mean参数进行控制点选择，由于没有涉及图像亮度，因此能够去除图像增益对阈值参数的影响。本发明的另一种实施例基于前一实施例进行改进，结合了上一时刻图像的信息进行控制点的选择，判断当前时刻图像中的像素点或体素点与其在上一时刻图像中的对应点是否都为非噪声点，如果都为非噪声点，则判定该像素点或体素点为控制点；也就是说，在当前时刻图像和上一时刻图像中同时进行基于STD/Mean的判断，只有在两个时刻图像中都没有判断为噪声的点才被选择为控制点，具体过程如下根据预定步长对当前时刻图像X(K)和上一时刻图像X(K-I)分别进行采样得到当前时刻图像X(K)的采样点和上一时刻图像X(K-I)的采样点，预定步长可根据实验值设定，实施例中设定为4-10个像素大小；·分别在当前时刻图像X(K)和上一时刻图像X(K-I)中计算每个采样点在预定邻域内的均值Mean和方差STD，预定邻域的大小可根据实验值设定，实施例中设定为6_10个像素；根据方差与均值的比值(即STD/Mean)和预定阈值进行判断，预定阈值可根据实验值设定，实施例中设定为(O. 5-1)之间，若该比值大于或等于预定阈值，则判定该采样点为噪声点，若该比值小于预定阈值，则判定该采样点为疑似控制点；根据当前时刻图像X(K)中的疑似控制点的坐标位置，判断在上一时刻图像X(K-I)中对应该坐标位置的点是否也是疑似控制点，若是，则判断该疑似控制点为控制点，否则该点为非控制点，不处理该点。本实施例的另一种变形情况为根据预定步长对当前时刻图像X(K)进行采样得到采样点；计算每个采样点在预定邻域内的均值Mean和方差STD ;根据方差与均值的比值(即STD/Mean)和预定阈值进行判断；若该比值大于或等于预定阈值，则判定该采样点为噪声点；若该比值小于预定阈值，则，基于同样的预定邻域的大小计算该采样点在上一时刻图像X(K-I)中的对应点邻域的均值和方差，若对应点的STD/Mean大于或等于该预定阈值，贝U，该采样点仍为非控制点；若对应点的STD/Mean小于该预定阈值，则选择该采样点为控制点。应理解，这里涉及的预定步长、预定邻域大小、预定阈值均可根据实验值设定，或者设定为如前一实施例的范围。本实施例及其变形情况均是基于前后相邻两个时刻的图像进行控制点的选择，而不仅仅考虑当前时刻图像，这样可以有效地去除探头快速移动等极端时引入的不规则伪影和拖尾。位移估计步骤S405，与实施方式一的步骤S305类似，具体而言，根据步骤S401选择的当前时刻图像X(K)的控制点的集合Control (m，η)，在上一时刻图像X(K-I)中搜索各个控制点Controli (i表示控制点序号)的同名点Matchi (或称匹配点)，从而得到控制点的位移场参数，包括控制点与同名点之间的位移关系、以及控制点的估计准确性系数。假设控制点Controli的坐标位置为(m, η),其同名点Matchi的坐标位置为(m/ ，n')，则控制点与同名点之间的位移关系为Hi = Iii' +move (m, η), η = n/ +move (m, η),其中move (m, η)为位移矢量。一种实施例中，采用如下方式进行位移估计在得到控制点Contooli的邻域Block(Controli)和对应点Pi的邻域Block(Pi)后，计算两个邻域Block(Controli)和Block(Pi)中各相应像素点或体素点的亮度值之差的绝对值之和(SAD，Sum of AbsoluteDifference)，对应最小的SAD的像素点或体素点即为控制点Controli的同名点Matchitl根据控制点Contooli的坐标位置(假设为(m，n))和同名点Matchi的坐标位置可以计算出位移矢量moveOn，η)，从而得到控制点与同名点之间的位移关系。该控制点的位移估计不确定性参数Err设定为最小的SAD值除以Block(Controli)内的点数。另一种实施例中，在得到控制点Controli的邻域Block(Controli)和对应点Pi的邻域Block(Pi)后,计算这两个邻域内各相应像素点或体素点的亮度差的平方和(SSD, Sumof Squared Difference),对应最小的SSD的像素点或体素点即为控制点Controli的同名点Match”同样可以得到控制点与同名点之间的位移关系。此时，该控制点的位移估计不确定性参数Err设定为最小的SSD值除以Bl0Ck(Contix)Ii)内的点数。又一种实施例中，在得到控制点Controli的邻域Block(Controli)和对应点Pi的邻域Block(Pi)后，计算这两个邻域的亮度分布的相关性系数Cor，公式为
权利要求
1.一种巾贞相关方法，其特征在于，包括 位移估计步骤，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点进行相对于上一时刻图像的位移估计，获得该像素点或体素点的位移场参数，包括该像素点或体素点与其在上一时刻图像中的同名点之间的位移关系、以及位移估计不确定性参数； 帧相关计算步骤，用于根据所述位移场参数确定当前时刻图像的像素点或体素点的帧相关系数，并利用帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得当前时刻图像帧相关后的结果图像。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述位移估计步骤之前还包括控制点选择步骤，用于在当前时刻图像上选择至少一个控制点，将该控制点作为当前时刻图像中指定的像素点或体素点。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制点选择步骤包括判断当前时刻图像中的像素点或体素点与其在上一时刻图像中的对应点是否都为非噪声点，如果都为非噪声点，则选择该像素点或体素点为控制点。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，判断是否为非噪声点并选择控制点包括 根据预定步长分别对所述当前时刻图像和所述上一时刻图像进行采样得到采样点； 分别在当前时刻图像和上一时刻图像中对每个采样点计算该采样点的预定邻域的均值与方差； 根据方差与均值之比值进行判断，若该比值大于或等于预定阈值，则判定所述采样点为噪声点，不进行处理；若该比值小于预定阈值，则判定所述采样点为疑似控制点； 根据当前时刻图像中疑似控制点的坐标位置，判断在上一时刻图像中对应于该坐标位置的点是否为疑似控制点，若是，则选择当前时刻图像中疑似控制点为控制点； 或者，判断是否为非噪声点并选择控制点包括 根据预定步长对所述当前时刻图像进行采样得到采样点； 计算每个采样点的预定邻域的均值与方差； 根据方差与均值之比值进行判断，若该比值大于或等于预定阈值，则判定所述采样点为噪声点，不进行处理； 若该比值小于预定阈值，则计算所述采样点在上一时刻图像中的对应点的预定邻域的均值和方差，若对应点的方差与均值的比值小于所述预定阈值，则选择所述采样点为控制点。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述位移估计步骤之前还包括 位移初始化步骤，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点设置初始位移。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述位移初始化步骤包括在当前时刻图像进行位移估计的过程中，当前像素点或体素点的初始位移设置为该像素点或体素点的预定邻域内已完成估计的若干像素点或体素点的位移的中值或均值。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述位移估计步骤包括 根据该像素点或体素点的预定邻域以及对应点的预定邻域，计算这两个预定邻域内各相应的像素点或体素点的亮度值之差的绝对值之和或亮度值之差的平方和； 与最小的亮度值之差的绝对值之和或亮度值之差的平方和对应的像素点或体素点即为该像素点或体素点在上一时刻图像中的同名点；所述估计准确性系数为所述最小的亮度值之差的绝对值之和或亮度值之差的平方和除以该像素点或体素点预定邻域内所有像素点或体素点的点数； 或者，所述位移估计步骤包括 根据该像素点或体素点的预定邻域以及对应点的预定邻域，计算这两个预定邻域的 亮度分布的相关性系数，公式为
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，在所述位移估计步骤之后和所述帧相关计算步骤之前还包括插值步骤，用于根据所述位移关系，通过插值获得当前时刻图像上每一个像素点或体素点的位移场参数。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述帧相关系数的确定包括所述帧相关系数是所述位移估计不确定性参数的递减函数。
10.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述帧相关系数的确定包括根据当前时刻图像中的像素点或体素点与其在上一时刻图像中的同名点的亮度值之差的递减函数、以及根据所述位移估计不确定性参数的递减函数，得到所述帧相关系数。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述帧相关系数根据如下公式得到
12.如权利要求1-11任一项所述的方法，其特征在于，所述利用帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关包括利用帧相关系数对上一时刻图像帧相关后的结果图像和当前时刻图像进行帧相关。
13.一种帧相关装置，其特征在于，包括 位移估计模块，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点进行位移估计，获得该像素点或体素点的位移场参数，包括该像素点或体素点与其在上一时刻图像中的同名点之间的位移关系、以及位移估计不确定性参数； 帧相关计算模块，用于根据所述位移场参数确定帧相关系数，并利用所述帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得所述当前时刻图像帧相关后的结果图像。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括控制点选择模块，用于在当前时刻图像上选择至少一个控制点，将该控制点作为当前时刻图像中指定的像素点或体素点。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述控制点选择模块包括判断单元，用于判断当前时刻图像中的像素点或体素点与其在上一时刻图像中的对应点是否都为非噪声点，如果都为非噪声点，则选择该像素点或体素点为控制点。
16.如权利要求13-15任一项所述的装置，其特征在于，还包括位移初始化模块，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点设置初始位移。
17.如权利要求13-16任一项所述的装置，其特征在于，还包括插值模块，用于根据所述位移关系，通过插值获得当前时刻图像上每一像素点或体素点的位移场参数。
18.如权利要求13-17任一项所述的装置，其特征在于，所述利用帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关包括利用帧相关系数对上一时刻图像帧相关后的结果图像和当前时刻图像进行帧相关。
19.一种超声成像系统，其特征在于，包括如权利要求13-16任一项所述的帧相关装置。
全文摘要
本发明公开了一种帧相关方法及其装置，其中方法包括位移估计步骤，用于对当前时刻图像中指定的像素点或体素点进行位移估计，获得该像素点或体素点的位移场参数，包括该像素点或体素点与其在上一时刻图像中的同名点之间的位移关系、以及位移估计不确定性参数；帧相关计算步骤，用于根据所述位移场参数确定帧相关系数，并利用所述帧相关系数对所述当前时刻图像进行帧相关，从而获得所述当前时刻图像帧相关后的结果图像。通过位移估计能保证进行帧相关计算的每两个像素点或体素点间是真正匹配的，同时，结合位移估计效果生成帧相关系数可以避免探头快速移动或组织运动时，位移估计误差对帧相关计算的影响。
文档编号A61B8/00GK102908163SQ20111021984
公开日2013年2月6日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者丛龙飞, 吉挺澜, 冒祖华, 郑祥作 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司