通过频率依赖性加权优化超声成像以改善角度视场

《Ultrasonics》：Ultrasound imaging optimization via frequency-dependent weighting for angular field-of-view

　　文 张 | 关军 辛 | 周 东旭 | 杨 学兵 | 郭 建中 中国陕西省超声重点实验室，陕西师范大学物理与信息技术学院，西安 710119 摘要 基于延迟和求和（DAS）的超声图像重建在利用全孔径阵列数据时，常常会受到栅瓣伪影的影响，并且信噪比降低。尽管应用固定的F数加权（实际上是一种阶跃函数衰减）可以抑制这些伪影，但不可避免地会降低横向分辨率。此外，传统的DAS波束成形通常忽略了元件接收灵敏度的角度依赖性，这种灵敏度会随着入射角偏离主波束方向而减小。本文提出了一种频率依赖的角度视场（angular FOV）加权方法，以抑制栅瓣伪影同时提高横向分辨率。该方法通过一个理论推导出的考虑方向性的DAS加权函数，将元件的角度接收灵敏度纳入波束成形过程中。此外，还引入了两个约束条件，分别用于提高分辨率和抑制栅瓣。在标准超声模体上的实验验证表明，与传统的固定F数（F# = 1.5）方法相比，所提出的方法有效抑制了近场伪影，使目标图像更加清晰，并实现了37.44%的最大横向分辨率提升。这项工作提供了一种实用的解决方案，有效缓解了伪影抑制与分辨率保持之间的传统权衡。 引言 超声成像已成为临床诊断和研究中不可或缺的工具，因为它具有安全性、无创性、高帧率以及不产生电离辐射等固有优势[1]、[2]、[3]。最近在超声波束成形、超快成像和复杂图像处理算法方面的进展[4]、[5]、[6]、[7]，进一步实现了对复杂生物结构和动态（如脑血流和微血管[8]、[9]、[10]）的高分辨率可视化。 在超声图像重建中，DAS算法是一个基本的波束成形框架。更宽的声学视场（FOV）通常能提供更多信息并提高重建质量。然而，传统的DAS方法基于每个阵列元件具有全向接收灵敏度的理想化假设[11]、[12]、[13]。实际上，有限尺寸元件的接收灵敏度会随着入射角相对于主瓣方向的变化而变化[14]、[15]。这种差异意味着在标准DAS中，由于对延迟通道信号施加了相同的加权，来自大角度散射体的回波可能会被误认为是来自近轴信号的。这种现象经常产生栅瓣伪影和虚假斑点，尤其是在阵列的近场区域[16]，从而影响图像质量。 为了减轻这些伪影，已经探索了几种策略。一种常见的方法是应用基于固定F数的硬阈值加权（实际上是一种阶跃函数衰减）来动态控制接收孔径[17]、[18]。虽然这可以抑制栅瓣，但不可避免地会降低横向分辨率。此外，具有较大元件间距的换能器虽然增加了视场，但有可能违反空间采样定理并产生周期性栅瓣[19]。这些伪影的根本机制源于空间采样，早期通过类比光学衍射得到了阐明[20]。其他方法试图结合元件的方向性。例如，长谷川和金井[21]将元件方向性整合到最小方差波束成形中，提高了横向分辨率。Tasinkevych等人[22]使用远场元件方向性作为加权函数来增强合成发射孔径（STA）成像。Schiffner等人[23]提出了一种频率依赖的F数方法，根据像素位置和频率调整孔径，以防止栅瓣。该算法的核心基于两个约束条件：瓣状抗混叠约束和最小角度距离约束。这两个约束都是为了抑制栅瓣而设计的。具体来说，瓣状抗混叠约束防止主瓣与一级栅瓣之间的角度重叠，而最小角度分离约束确保即使没有重叠，它们之间也保持足够的角度间隔。在这些约束条件下，孔径被选择得尽可能大，从而间接提高了图像分辨率。然而，这些方法的一个关键限制是它们没有在频域中重新构建波束成形加权函数；相反，它们依赖于硬阈值孔径截断，这未能完全反映元件方向性作为角度的连续衰减函数的物理行为。此外，算法约束的理论设计仅限于抑制栅瓣。因此，实现伪影抑制与分辨率保持之间的最佳权衡仍然具有挑战性[24]、[25]。 尽管之前的研究试图解决伪影抑制与分辨率下降之间的权衡问题，但在将元件方向性的频率依赖性完全纳入波束成形过程中仍存在显著差距。为了解决这一限制，我们提出了一种频率依赖的角度视场加权方法。我们的方法明确地将阵列元件的角度和频率依赖的接收灵敏度纳入波束成形过程中。我们理论上设计了一个考虑方向性的DAS加权函数。此外，我们引入了两个特定的约束条件，以保持一致的横向空间频率带宽，从而提高分辨率并抑制栅瓣。本文提出的约束条件不仅仅是为了抑制栅瓣，而是基于不同的理论基础推导出来的。具体来说，引入了两个约束条件：恒定的横向空间频率带宽约束和栅瓣抑制约束。从k空间分析的角度来看，更大的横向空间频率带宽允许系统保留更高的横向空间频率成分，这对于分辨更细微的结构至关重要。通过施加恒定的横向空间频率带宽约束，孔径可以根据频率自适应变化。这避免了在对高频和低频成分都施加单一固定角度阈值时出现的横向空间频率支持不一致性问题，同时也防止了低频成分的过早截断，从而尽可能保持最大有效横向频率的上限。因此，重建图像的横向分辨率得到了提高。此外，栅瓣抑制约束是基于奈奎斯特采样定理建立的，它限制了能够产生栅瓣的最大视场角度，从而减少了栅瓣伪影。此外，这项工作特别设计了一个频域加权函数，将其纳入频域波束成形过程中，对不同频率和视场角度的接收信号施加自适应的软加权。通过这种方式，可以在抑制栅瓣和保持横向分辨率之间实现更好的平衡。