一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法

本发明涉及全矩阵捕捉超声成像法领域，特别涉及一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法。

背景技术：

1、针对具有复杂多层结构的生物硬组织——骨骼，由于其具有显著的声速变化、位置相关的各向异性和高衰减的特点，传统仅适用于单层固定声速的超声成像法难以直接应用；且大多数已知可以实现骨成像的超声成像法时间计算复杂度较高，无法在临床上实现实时成像。

2、通过在每个传输的接收过程中捕获来自所有超声阵元的超声波信号，全矩阵捕捉成像能够收集并记录更多维度的目标信息，进而能够相较于传统超声成像，提供更为高质量的成像结果。然而，早期的全矩阵捕捉超声成像大多是基于时域数据，难免会产生较大的计算负担。

3、同时，需要注意到对于骨骼这类生物硬组织，由于其与周围软组织声速差异巨大，超声波在经过其交界面时会产生明显的反射、散射与衰减现象，不利于超声波信号的传播与收集，进而加大了成像难度。尽管现有的全矩阵捕捉超声成像法能够对骨仿体实现成像，但是其计算数据量需求巨大，计算过程复杂的缺陷致使其无法直接应用于临床邻域，实现实时成像。

4、传统全矩阵捕捉超声成像法存在如下限制：需要一个已知的声速分布模型，在缺失先验声速模型的情况下，超声波信号的记录结果难免会受到干扰，这些干扰不可避免地会导致成像结果出现失真与变形；计算数据量巨大，传统全矩阵捕捉超声成像直接利用时域记录的超声波数据，数据存储与处理量更大，无法直接应用于计算资源有限的超声平台；骨骼与软组织边界处超声波信号的大幅衰减严重影响最终成像质量，骨骼与软组织之间的声阻抗差异较大，导致超声波无法有效传播到骨骼内部，进而难以实现多层不规则的骨成像。

5、因此，迫切需要设计一种更为高效、实用的成像方法对骨骼进行超声成像。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，在减小计算负担的同时，实现高精度，高对比度的多层结构骨成像。

2、为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，包括以下步骤：

4、步骤一：搭建实验平台；

5、步骤二：利用全矩阵捕捉法收集待成像目标的波场信息；

6、步骤三：获得波场中的声速分布；

7、步骤四：完成单角度频域波场的不同深度外推；

8、步骤五：完善波场信息；

9、步骤六：得到最终超声成像。

10、进一步的，步骤一包括以下内容：

11、将两个完全相同的线阵换能器面对面对齐放置于水槽中，每个换能器均有n个阵元，设置待成像的皮质骨成像目标于两个换能器中间，并向水槽中注入水以浸没成像目标及超声换能器。

12、进一步的，步骤二包括以下内容：

13、一个换能器上的每个阵元，按照顺序依次发射固定中心频率的超声脉冲信号，此时该换能器上的所有阵元与另一个换能器上的所有阵元均作为接收端记录得到的声场信息，所有换能器完成发射-接收过程之后得到2n组维度为2×n×nt的声场数据，其中，nt为采样数。

14、进一步的，步骤三包括以下内容：

15、根据理论超声波最早到达时间与实际测到的最早到达时间作差，得到如下优化目标函数：

16、

17、其中，s是待估计的慢度(速度的倒数)分布，t(s)是理论的超声波最早到达时间，tobs是实际测得的最早超声到达时间，j(s)指当前慢度模型下的不同传播路径；基于贝叶斯估计，得到最终慢度分布估计，将其取倒数即可得到声速分布估计结果

18、进一步的，步骤四包括以下内容：

19、将时域的波场信息进行快速傅里叶变换转换至频域，选取一边的超声换能器，基于声速估计模型与该换能器发射的超声频域信息，将声速模型进行分层，并基于换能器所在位置的频域波场，在该基础上进行不同深度的频域波场外推，完成当前被选定换能器一侧的成像目标单侧的快速重建。

20、进一步的，将时域的超声波场信息p运用三维转化至频域，得到p(ω,ke,kr)，其中，ω是频率，ke与kr指代频域空间中相对发射与接收阵元的坐标信息，将速度模型垂直地分为10层，有之后以一侧换能器所在位置的频域波场作为基准ze＝0，进行波场外推，ze＝zi-1与ze＝0之间的波场关系可以用如下式子表示：

21、

22、

23、其中，lm为速度层的物理厚度，j是虚数单位，e是自然对数函数的底数，利用斯托尔特映射关系，将p(ω,ke,kr)转化为ft(kx,kz)，其中kx＝ke+kr，在得到完整的频域波场数据之后，对ft(kx,kz)进行二维傅里叶逆变换，得到单边不同位置的散射分布公式为：

24、

25、其中，(x,z)指的是成像区域的二维空间坐标。

26、进一步的，步骤五包括以下内容：

27、选取另一个方向的超声换能器，重复步骤四，完成另一侧的快速重建。

28、进一步的，步骤六包括以下内容：

29、将两幅单边重建的图相融合，完善成像目标不同方位的信息，获得最终完整的重建图像。

30、本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

31、本发明在传统全矩阵捕捉超声成像法上进一步改进，首先是基于超声波传播时间，对声速分布模型进行贝叶斯优化估计，得到了一个大概的声速分布信息，有效减小了因为未知的巨大声速变化而带来的影响；在该声速模型的基础之上，将发射-接收波场信息进行三维傅里叶变换，能够显著减小数据量，大大提高了数据存储与计算效率，同时还利用了全矩阵信息，保证了可靠的成像质量。

技术特征：

1.一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，其特征在于，步骤一包括以下内容：

3.根据权利要求1所述的一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，其特征在于，步骤二包括以下内容：

4.根据权利要求1所述的一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，其特征在于，步骤三包括以下内容：

5.根据权利要求1所述的一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，其特征在于，步骤四包括以下内容：

6.根据权利要求5所述的一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，其特征在于，将时域的超声波场信息p运用三维转化至频域，得到p(ω,ke,kr)，其中，ω是频率，ke与kr指代频域空间中相对发射与接收阵元的坐标信息，将速度模型垂直地分为10层，有之后以一侧换能器所在位置的频域波场作为基准ze＝0，进行波场外推，ze＝zi-1与ze＝0之间的波场关系可以用如下式子表示：

7.根据权利要求1所述的一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，其特征在于，步骤五包括以下内容：

8.根据权利要求1所述的一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，其特征在于，步骤六包括以下内容：

技术总结
本发明公开了一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，包括步骤一：搭建实验平台；步骤二：利用全矩阵捕捉法收集待成像目标的波场信息；步骤三：获得波场中的声速分布；步骤四：完成单角度频域波场的不同深度外推；步骤五：完善波场信息；步骤六：得到最终超声成像。本发明设计的一种适用于多层骨组织的全矩阵超声快速成像方法，在减小计算负担的同时，实现高精度，高对比度的多层结构骨成像。

技术研发人员：他得安,许乐修,李义方,石勤振,张芸芸
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15