一种改进的vs—msaft技术成像方法

王硕

摘要：为了提高超声合成孔径的横向分辨率，本文研究了波束序列合成技术（synthetic aperture sequential beamforming， SASB）。首先获得一个高分辨率（high resolution line ，HRL）扫描线，然后在传统的SASB算法基础上，采用以点叠加的算法（point sum technique PST），通过索引值，不仅提高了极限帧率，而且提高了运算效率。这个方法不同于以前利用飞行时间（time of flight TOF）计算索引值，它直接忽略乘法运算，利用类查找表法直接合成HRL扫描线。通过Field II仿真和Multi2000实验平台，采集数据的研究，验证了波束序列合成技术对横向分辨率的贡献。

关键词：SASB；点叠加；横向分辨率

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）11-0203-03

1 引言

在超声无损检测领域，为了提高横向分辨率，合成孔径聚焦（synthetic aperture focusing，SAF）技术得到广泛应用[1]。基于SAF的全聚焦（TFM）方法[2]，利用一个阵元发射球面波全部阵元接收可以采集到完备的图像数据集，通过延时叠加波束合成极大的提高成像质量，但该算法复杂，对硬件要求高，需要存储大量数据，开发极具挑战。而利用单阵元一发一收模式线性移动扫描采集数据，简化了复杂度，通过动态接收聚焦技术可以在一定程度上保持超声成像的横向分辨率恒定，使其不受深度变化影响，但由于单阵元能量弱旁瓣较高，导致横向分辨率较差，成像质量较差。

本论文根据虚拟源声场传播方向为空间受限角球面波，而每个球面波和球面波上的信息都被子孔径的阵元采集存储在一一对应的地址中的特点，在Jacob Kortbek的两步法[4]基础上采用点叠加算法计算第一步，它是一种类查找表方法，不需要利用飞行时间计算索引值，直接通过不同深度点的地址将各个离散点聚拢为一个高分辨率点最后合成为一条高分辨率A扫线，由于只是简单的叠加运算并不消耗乘法器资源，它大大减低了第一步计算时间，提高了实时成像的极限帧率。第二步计算时利用动态接收聚焦和延时叠加（delay-and-sum，DAS）波束合成方法，得到高分辨率图像。目标是改进SASB技术的第一步计算速度，提高极限帧率，且相对于DRF其横向分辨率也保持了以前的优势。

2 基本原理

SASB分为两步，每步都利用延时叠加（DAS）来波束合成（beamforming）。第一步使用滑动子孔径定点发射/接收聚焦，采集一系列B扫线并存储在缓存（buffer），进行波束合成1（BF1）。第二步将第一步每次获得的数据作为输入，存储在起来，组成新的数据，再次进行波束合成2（BF2）。缓存中的数据必须在下一次采集时处理完成，否则新的数据会把旧的数据覆盖。

多孔径定点聚焦发射超声成像过程中，作为被激发的多孔径，它们是物理存在的阵元，称之为实源（real source），而对于多孔径的聚焦点，把它作为虚拟源（virtual source，VS）[5]。图1所示，VS阵列可以看作发射点，分别向前后发射声空间受限角球面波。

2.1 点叠加算法波束合成

相控阵超声成像中，滑动子孔径定点发射聚焦形成的声场可视为由虚拟源发射的空间受限角球面波，如图2所示，球面波携带了它传播路径上的空间信息，BF1可以将最初的图像扫描线转换为BF2的输入。

值得注意的是对于有限传感器阵列，随着成像点深度的增加，有效虚拟阵元个数将会超出实际虚拟阵元的个数。因此，越接近传感器阵列边缘的地方，有效样本个数不会再继续增加，此时横向分辨率会略微下降。

3 实验与结果

本文利用Field II[10]进行点散射目标仿真实验，对比了单阵元动态合成孔径算法以及基于虚拟阵元的多孔径聚焦算法，并重点分析了两种算法在轴向分辨率和探测深度方面的差异。

为了方便分析两种方法在轴向分辨率和探测深度之间的优劣，散射点从40mm开始，在200mm结束，成像的动态范围为40dB。成像如图6所示。

从图6中可以看出，单阵元动态合成孔径算法在目标散射点的能量没有完全聚合，导致了它的轴向分辨率变差，且随着深度增加，对被测物体的渗透能力变弱，散射点的旁瓣逐渐增加；本文用到的基于虚拟源的多孔径聚焦算法在散射点通过对高分辨率扫描线出缺陷，这使得它轴向分辨率大大提高。同时多阵元拥有更大的能力，可以渗透到物体更深处，图6中的右图比左图清晰很多，很好的证明了这一点。

4 结论

本文将虚拟阵元技术引进到超声成像系统，利用点叠加算法合成高分辨率扫描线再利用合成孔径聚焦波束合成超声成像。该方法本质就是把滑动子孔径采集的低分辨率扫描线形成的声场进行叠加形成多条高分辨率扫描线，节省了存储低分辨率扫描线的硬件资源，简化了算法的复杂度，间接增加了接收阵元数目，从而增加声波信号的信息量和能量，使得成像效果获得大幅度提高。静态点散射目标的成像实验表明：与传统单阵元合成孔径算法相比，虚拟源多孔径方法的横向分辨率在一定范围内大大提高，在一定程度上解决了横向分辨率与探测深度之间的矛盾，并且可以针对不同应用场合来调节虚拟阵元的位置[Zv]以及聚焦系数[F#]，實现高质量的超声成像。可以针对不同应用场合来调节虚拟阵元的位置[Zv]以及聚焦系数[F#]，实现高质量的超声成像。

参考文献：

[1] Ylitalo J T， Ermert H. Ultrasound synthetic aperture imaging： monostatic approach. IEEE Trans. Ultrason.， Ferroelec.， Freq. Contr.，1994（41）：333-339.

[2] Jensen J A， Nikolov S， Gammelmark K L， et al. Synthetic aperture ultrasound imaging. Ultrasonics，2006（44）：5-15.

[3] Karaman M， Li P C， M. ODonnell： Synthetic aperture imaging for small scale systems， IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr，1995（42）：429-442.

[4] Frazier C H， OBrien W D. Synthetic aperture techniques with a virtual source element， IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr，1998（45）：196-207.

[5] Jacob Kortbek， J?rgen Arendt Jensen and Kim L?kke Gammelmark： Sequential beamforming for synthetic aperture imaging [J].Ultrasonics，2013（1）.

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