超聲成像波束形成的基本理論

1、超聲成像波束形成的基本理論聲場在成像場域的分布稱為波束形成(beam forming)。波束形成在整個超聲中處于心位置，對成像質(zhì)量起著決定性的作用，如圖 2.1。本章以傳統(tǒng)的延時疊加波束形成方法為中心來闡述波束形成的基本原理及其對波束形成的影響，并介紹了波束控制方法(聚焦偏轉(zhuǎn)、幅度變跡、動態(tài)孔徑)及成像質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)。.1 延時疊加波束形成算法延時疊加波束形成是超聲成像中最傳統(tǒng)、最簡單也是應(yīng)用最廣泛的成像方法，它包括發(fā)射聚焦和接收聚焦兩種方式。由于成像過程實際就是對成像區(qū)域逐點聚焦，所以一幀完整的圖像需要進(jìn)行至少上萬次的聚焦才能完成。如果采用發(fā)射聚焦方式來實現(xiàn)超聲成像，則完成一幀超聲圖像需要非

2、常長的時間(至少需要幾分鐘)，不符合實時成像的要求。因此，平常所說的延時疊加波束形成一般是指接收聚焦，其形成過程如圖 2.2 所示。1.1 聲場分布的計算圖像分辨率通常是評價圖像質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，而在超聲成像系統(tǒng)中的圖像橫向分辨率是由超聲波束的聲場分布決定的25。超聲輻射聲場的空間分布與換能器的輻射頻率、輻射孔徑及輻射面結(jié)構(gòu)有關(guān)，稱為換能器的空間響應(yīng)特性為了表征換能器空間響應(yīng)特性，常引入一指向性函數(shù)。指向性函數(shù)是描述發(fā)射器輻射聲場或接收器靈敏度的空間函數(shù)。由于探頭類型不盡相同，包括連續(xù)曲線陣、連續(xù)曲面陣、連續(xù)體性陣和離散陣四大類，因此指向性函數(shù)的類型也有所不同。本節(jié)以常用的凸陣探頭(離散陣)

3、為例介紹超聲空間發(fā)射聲場的計算如圖 2.3 所示，設(shè)陣元數(shù)為 N，陣元的半徑為 R，相鄰兩陣元間的距離為 d，由于 d << R，可近似得到相鄰兩個陣元之間的夾角為 Q=d/R。那么探頭上任一陣元i 與中心線的夾角考慮到換能器的空間響應(yīng)特性滿足互易原理，它的接收空間響應(yīng)特性與其發(fā)射空間響應(yīng)特性是一致的。因此，關(guān)于接收聲場的計算，基本上和發(fā)射聲場的計算方法相同，只是接收焦點的深度總是和計算深度 z 相同。1.2 波束仿真凸陣探頭參數(shù)，參考圖 2.3。超聲波的中心頻率 f=3 MHz，探頭曲率半徑 R=60mm，陣元間距 d=0.48 mm，聲速 c=1540 m/s，陣元數(shù) N=32

4、，探測范圍為 20200 mm，焦點在 120mm 處。圖 2.4 為凸陣探頭的聲場分布示意圖。圖 2.4 中，橫軸 z 表示深度，縱軸 x 表示橫向距離，白色區(qū)域越亮表示在域內(nèi)聲場越強；而黑色區(qū)域越暗表示聲場越弱。由圖可知，在焦點周圍，聲場最強，離焦點越遠(yuǎn)，聲場擴散越快。描述聲場分布有兩個主要指標(biāo)，即主瓣(波束)寬度和旁瓣幅度。主瓣寬度是指兩側(cè)的聲場幅值相對聲束軸線方向上的極大值下降 3dB(半功率點)的寬度，該寬度值越窄，成像側(cè)向分辨率越高；旁瓣幅度是指聲場分布圖中最大旁瓣的歸一化幅值，該幅值越小，偽像越少，對比度越高。取圖 2.4 中深度 z=120mm 處的截面圖，反映聲場分布的兩個指

5、標(biāo)，如圖 2.5所示。由圖可知，主瓣寬度約為 3mm，旁瓣幅度約為 13dB。 2 波束控制方法由 2.1 節(jié)波束仿真介紹，可以了解到波束主瓣寬度和旁瓣幅度對成像質(zhì)量的影響?？刂撇ㄊ挠行Х椒ㄓ芯劢蛊D(zhuǎn)、幅度變跡、動態(tài)孔徑。本節(jié)將做簡單介紹。2.1 聚焦與偏轉(zhuǎn)聚焦(focusing)，是指將換能器子陣中各陣元的接收回波經(jīng)適當(dāng)延遲后相加起來，使焦點處發(fā)射或散射的信號形成同相位相加，獲得最強的合成信號，而不在焦點處的信號因不是同相位相加，合成信號大大削弱，甚至互相抵消26。偏轉(zhuǎn)(steering)，也稱方向控制，即控制波束掃描的方向，可以沿著垂直于換能器子陣中心的方向(中心軸)，如線陣掃描，也可以

6、偏離中心軸的方向，如凸陣和相控陣掃描27。偏轉(zhuǎn)常與聚焦結(jié)合起來使用，使得既可以對中心軸上的目標(biāo)點進(jìn)行聚焦，也可以對非軸上的目標(biāo)點進(jìn)行聚焦，從而保證整幅圖像的清晰度。醫(yī)學(xué)超聲成像中的各種聚焦方法也代表波束形成的不斷進(jìn)步。 定點聚焦這種方式主要應(yīng)用于最初的超聲成像系統(tǒng)中，采用單元式換能器來實現(xiàn)，而不是通過電子聚焦和延時，其延時是固定的，所以只能實現(xiàn)固定的發(fā)射和接收聚焦。定點聚焦的實現(xiàn)過程，如圖 2.6 所示。 多區(qū)域聚焦由于多陣元換能器的引入，使得多區(qū)域聚焦成為可能。在早期的分段聚焦系統(tǒng)中，發(fā)射和接收聲束分別在近距離、中距離和遠(yuǎn)距離聚焦，進(jìn)行了幾次成像28，其實現(xiàn)過程如圖 2.7 所示。分段聚焦需

7、要通過開關(guān)延遲線形成多個接收焦點，而開關(guān)會引入噪聲，實時性很差。 動態(tài)聚焦臨床應(yīng)用中，為了提高圖像的分辨率，要求在整個探測深度上超聲波束都有良好的聚焦效果。因此，實際中多采用動態(tài)聚焦。動態(tài)聚焦是指接收焦點隨深度變化，聚焦延時也隨著深度變化。理想的動態(tài)聚焦效果是能達(dá)到保持每條掃描線上的所有點都在焦點上，這就要求控制系統(tǒng)能以回波相同的速度沿掃描線追蹤目標(biāo)，以形成一個滑動的焦點。隨著集成電路的發(fā)展，數(shù)字動態(tài)聚焦成為可能。數(shù)字動態(tài)聚焦的前端工作模式是：采樣延遲求和檢測至數(shù)字部分，即將接收電路接收到的信號經(jīng)過放大后立即由 A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，再經(jīng)延時后進(jìn)行數(shù)字信號疊加29。數(shù)字延時器的延時量是由

8、軟件控制，可將延時量分的很細(xì)，能實現(xiàn)全線程的動態(tài)跟蹤聚焦。理論上動態(tài)聚焦可以應(yīng)用在發(fā)射和接收兩個階段，大幅度提高成像質(zhì)量。而實際中，只有采用合成孔徑成像時，才能實現(xiàn)發(fā)射和接收的動態(tài)聚焦；對于傳統(tǒng)的延時疊加波束來說，考慮到聲束的傳播，采用發(fā)射的動態(tài)聚焦就意味著漫長的數(shù)據(jù)采集時間，這是不現(xiàn)實的，所以一般只在接收時采用動態(tài)聚焦，如圖 2.8 所示。分段動態(tài)聚焦是動態(tài)聚焦一種改進(jìn)方式。因為在傳統(tǒng)延時疊加波束生成時，很難在發(fā)射時采用動態(tài)聚焦，而如果用定點聚焦，則成像質(zhì)量很差。為了彌補這一缺陷，一般采用分段動態(tài)聚焦，即將成像空間劃分為多個區(qū)域，在發(fā)射模式下，對每個區(qū)域中的一點進(jìn)行聚焦，在接收模式下，采用動

9、態(tài)聚焦，如圖 2.9 所示。分段動態(tài)聚焦相對動態(tài)聚焦，成像的分辨率和對比度有所提高，但是幀率有所下降。假設(shè)接收動態(tài)聚焦的幀率為 N，分段數(shù)量為 K，則分段動態(tài)聚焦的幀率降為 N/K。在醫(yī)學(xué)超聲成像中，發(fā)射分段的分段數(shù)一般不會超過 4。由于引入主瓣寬度的概念，接下來將要分析研究不同聚焦方式的成像分辨率。圖 2.10 給出了定點聚焦、多區(qū)域聚焦、動態(tài)聚焦 3 種聚焦方式的接收模式主瓣寬度的示意圖。圖 2.10(a)為定點聚焦，接收焦點定在 120mm 處，所以只有在遠(yuǎn)場處才能獲得較好的圖像分辨率。圖 2.10(b)為多區(qū)域焦點，在 2080 mm 的深度內(nèi)，接收焦點取 60 mm，在 80140

10、mm 的深度內(nèi)，接收焦點取 120 mm，在 140200mm，接收焦點取 180mm。多區(qū)域聚焦相對于定點聚焦，成像分辨率稍有改善。圖 2.10(c)為動態(tài)聚焦，焦點在探測深度 20 200 mm 內(nèi)以 1 mm 為步距變化。三圖對比可知，只有動態(tài)聚焦在整個探測深度有很好的圖像分辨率。但考慮到三種聚焦方式的實現(xiàn)過程，可以發(fā)現(xiàn)：定點聚焦在發(fā)射模式和接收模式下都只需要一組延時參數(shù)，多區(qū)域聚焦在發(fā)射模式和接收模式下需要幾組延時參數(shù)；而動態(tài)聚焦雖然在發(fā)射模式下只需一組延時參數(shù)，但在接收模式下需要多組延時參數(shù)。因此，完成延時參數(shù)的存儲是實現(xiàn)動態(tài)聚焦的難點。2.2 幅度變跡幅度變跡技術(shù)是一種控制發(fā)射和接

11、收聲場分布的手段。當(dāng)發(fā)射子陣中各個陣元施加相同幅度的激勵信號，就形成了聲場中的等幅度相干疊加。理想的等幅相干疊加有-13dB 的旁瓣，影響成像的質(zhì)量。降低旁瓣等級的方法是收發(fā)通道的幅度加權(quán)，這樣每個陣元的激勵信號幅度就可能不一樣，這種方法稱為幅度變跡。一般地，幅度變跡可以使子陣中中心陣元的激勵信號幅度強，而兩旁位置陣元的激勵信號幅度逐漸減弱。常用的幅度變跡函數(shù)有 Hanning 函數(shù)、Hamming 函數(shù)、Blackman 函數(shù)，它們的數(shù)字表達(dá)式為Hanning 窗：Hanning 窗：Hanning 窗： 仿真參數(shù)設(shè)置與圖 2.5 一致。采用定點聚焦方式，發(fā)射焦點為 F(0,120) mm，

12、計算深度在 z=120mm 處，整個探測深度為 20200 mm。圖 2.11(a)為分別引入不同的幅度變跡函數(shù)后聲場分布示意圖，(b)對應(yīng)各自的波束寬度示意圖。 由圖 2.11 可知，引入幅度變跡后，旁瓣幅度有了不同程度的下降，但是增加了波束寬度，成像的分辨率稍有下降。因此，引出了人們對自適應(yīng)波束形成的研究，希望由接收到的數(shù)據(jù)計算出動態(tài)的加權(quán)值，從而達(dá)到減小波束寬度，提高圖像分辨率的目的。2.3 動態(tài)孔徑動態(tài)孔徑是指在接收過程中動態(tài)改變孔徑的大小。理論證明，孔徑越大，所形成的波束主瓣越窄，旁瓣越低，然而隨著孔徑的增大，波束在近場區(qū)的擴散角也增大了，頭附近的分辨率就會急驟降低，得不到體表(近場

13、)附件組織的良好聲像圖。因此，提出動態(tài)孔徑技術(shù)，即在接收開始時只有位于接收子陣中心的少數(shù)通道打開，其他通道處于關(guān)閉狀態(tài)，隨著接收深度的增加，越來越多的接收通道開啟，接收孔徑逐漸加大。這個過程如圖 2.12 所示。 最常用的是 F- number=2，此時 bw=4l，最佳橫向分辨率是軸向分辨率的 4 倍。 動 態(tài) 孔 徑 最 大 的 好 處 是 在 采 用 動 態(tài) 聚 焦 的 接 收 波 束 形 成 中 保 持F- number(F=fl/ap)為常數(shù)。由式(2.15)可知，波束寬度與 F- number 成正比，而波束寬度又決定了圖像的橫向分辨率，因此當(dāng)焦點深度不斷增加時，孔徑 ap也隨著f

14、l 的增大而動態(tài)增大，從而保證最大掃描深度范圍以內(nèi)的波束寬度近乎為常數(shù)，整幅圖像的橫向分辨率比較均勻動態(tài)孔徑技術(shù)除了保持整幅圖像的橫向分辨率比較均勻外，還可以減少最大延時量，增加近場區(qū)的焦區(qū)深度及減小 TGC 的控制范圍。3 成像質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)3.1 軸向分辨率(Axis Resolution)軸向分辨率，也稱縱向分辨率，是指沿超聲波軸線方向上可識別的兩個靶點或界面的最小距離，用DR 來表示。對于連續(xù)超聲波，軸向分辨率的理想值為半個波長。顯然，提高超聲頻率可以提高分辨率，但提高頻率導(dǎo)致衰減增強，穿透深度減小。所以實際上達(dá)不到理論分辨率數(shù)值，而是相當(dāng)于 2-3 個波長的數(shù)值。對于超聲脈沖回波系統(tǒng)

15、，在聲束軸線上可以識別的最小距離DR 將與超聲脈沖的有效脈寬有關(guān)，即軸向分辨率 ra為小，就可以分辨軸向方向上靠得越近的兩個物體。要改善縱向分辨率，就必須減小脈沖的波長或者脈沖周期。提高發(fā)射脈沖的頻率可以減小脈沖的波長，但人體組織對超聲波傳播時的衰減也會隨著頻率的增大而增加，這樣勢必會減小最大成像深度。后來的理論發(fā)展證明，決定系統(tǒng)距離分辨率的更本質(zhì)因素是所用信號波形的帶寬。因此，如果我們能設(shè)計一個脈沖信號，其持續(xù)時間可以相當(dāng)長，但只要所占頻譜很寬，仍然可以得到很高的距離分辨率.2 橫向分辨率(Lateral Resolution)橫向分辨率，也稱側(cè)向分辨率，它是在超聲掃查平面內(nèi)沿著與超聲波束垂

16、直方向上可區(qū)分兩個靶點或界面之間的最小寬度15 側(cè)向分辨率與超聲波束的有效寬度成正比，因此，采用動態(tài)聚焦可以提高側(cè)向分辨率。 3.3 對比度(Contrast Resolution)對比度，即反差。它是超聲圖像中相鄰兩個結(jié)構(gòu)能夠加以區(qū)別程度的量度，也就是畫面上最大亮度與最小亮度之比。影響對比度的主要因素有，空間分辨率、系統(tǒng)動態(tài)范圍、旁瓣電平和噪聲電平31。 提高對比度的主要途徑在于電路技術(shù)、成像方法及數(shù)字信號處理技術(shù)等方面的改進(jìn)。3.4 時間分辨率(Temporal Resolution)時間分辨率，反映實時成像能力，通常用幀率來表示。 其中，c 表示聲速，R 表示掃描深度，Tb表示一條掃面聲

17、束的傳播時間，M 表示掃描聲束總數(shù)。當(dāng) c 為定值時，掃描深度越深，波束越密，則幀率越低。提高時間分辨率的最有效方法就是采用多波束形成技術(shù)，即發(fā)射一次超聲脈沖，能夠形成多條掃描線，從而提高圖像幀率。2.3.5 動態(tài)范圍主要包括回波信號的動態(tài)范圍和超聲診斷儀的動態(tài)范圍。受生物組織的聲界面特性、吸收衰減以及探測深度的影響，回波信號的動態(tài)范圍一般為 40-120dB32。但是超聲診斷儀的動態(tài)一般都比較小，在 10-60dB 左右，所以在超聲成像系統(tǒng)中，為了要接收到回波信號的所有信息，系統(tǒng)必須具有大的輸入動態(tài)范圍，另一方面為了能更清晰的顯示斷層圖像，又必須使接收通道具有小的動態(tài)范圍。基于以上兩種說法，系統(tǒng)一般采用增益補償和對數(shù)壓縮來分別實現(xiàn)兩種功能。4 本章小結(jié)動態(tài)聚焦、幅度變跡、動態(tài)孔徑等對波束的控制效