[发明专利]一种应用于超声成像的稳健宽带自适应波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及医学超声诊断及超声无损检测等领域，尤其涉及到一种应用于超声成像的稳健宽带自适应波束形成方法。

背景技术

传统的医学超声诊断及超声无损检测系统中普遍使用了延时叠加的波束形成方法，这种方法简单可靠，易于实现，但性能却比较一般。为提高超声成像的质量，最小方差自适应波束形成方法受到了广泛的关注，然而这种方法面临如下的两个主要问题：(1)经典的最小方差波束形成方法是根据窄带信号的模型所提出的，而超声成像领域的回波信号一般属于宽带信号的范畴，所以直接将最小方差波束形成方法应用于超声成像中并未能充分展现出原方法的优势；(2)对于非均匀介质的成像过程中往往存在着相位畸变，导致最小方差波束形成方法中的协方差矩阵和导向矢量的估计存在一定误差，继而影响了该方法的稳健性，难以在较为复杂的应用环境中实现理想的性能。

目前存在的稳健自适应波束形成方法，大都围绕在协方差矩阵的重构及导向矢量的估计上，如在最小方差波束形成方法中，常使用对角加载技术来提高协方差矩阵估计的稳健性，这种方法简单易行，而对角加载因子这一参数的选取则对性能有着重要的影响。采用前后向相结合的空间平滑方式对超声回波信号去相干，无需使用对角加载即可在一定程度上保证协方差矩阵估计的稳健性，同时也能够提高最终成像的对比度。但上述方法都集中在时域内处理，并未充分考虑到超声回波信号的宽带性特点，也未能对相位畸变条件下失配的导向矢量进行有效的估计，导致最终的性能提升较为有限。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，对最小方差自适应波束形成方法进行改进，充分利用超声回波信号的宽带性特点，在频域内对真实环境下的导向矢量进行重构，使其能在相位畸变的条件下具备较为稳健的性能，并同时提高非均匀介质下的超声成像质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种应用于超声成像的稳健宽带自适应波束形成方法，应用于等间距的M个阵元的超声换能器阵列中，该方法主要使用在对接收的回波数据进行波束形成处理的阶段，包括以下的步骤：

将所得到的超声回波数据由时域转换至频域，然后进行频带的划分；

计算所述频带划分后的各子频带的协方差矩阵；

根据得到的所述协方差矩阵，利用特征空间分解方法将假定的导向矢量投影在信号子空间中；

通过凸优化方法估计真实的导向矢量；

利用最小方差方法的基本原理，得到各子频带空间的波束形成处理结果；

对所述各子频带空间的波束形成处理结果进行叠加，并转换到时域，得到用于最终成像的输出结果。

进一步地，所述将所得到的超声回波数据由时域转换至频域，然后进行频带的划分步骤，包括：

对B模式超声成像下每一根扫描线相应的各个阵元所接收到回波数据进行短时傅立叶变换，将变换后所得到的频域数据划分为K个子频带。

更进一步地，所述将所得到的超声回波数据由时域转换至频域，然后进行频带的划分步骤包括：

根据发射的脉冲宽度预先设计出所述短时傅立叶变换的窗函数的宽度，然后进行回波数据空间的划分；

对所述回波数据空间划分后的各段数据进行“补零”处理，然后由时域转换至频域；

对所述频域数据进行频带的划分。

进一步地，所述计算所述频带划分后的各子频带的协方差矩阵步骤，包括：

对各子频带的数据进行空间平滑处理，其中以L个阵元为一组来计算协方差矩阵，共分为M-L+1组，计算的公式如下：

其中，是协方差矩阵，是频域上的回波数据，是的共轭转置，i＝1,2，…，K，K为子频带的个数。

更进一步地，所述利用特征空间分解方法将假定的导向矢量投影在信号子空间中的步骤，包括：

按下式对得到的协方差矩阵在特征空间进行分解：

其中Λ＝diag[λ₁,λ₂,...,λ_num,...,λ_L]，且特征值(λ₁≥λ₂≥...λ_num≥...≥λ_L)，U＝[u₁,u₂,...,u_num,...u_L]是与之相对应的特征矢量，选取参数β介于0.1～0.5，满足λ_num≥βλ₁；

将整个特征空间划分为信号子空间Us及噪声子空间Up两部分。