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短阶相干系数加权的平面波复合成像算法

更新时间：2019-12-29 22:48:40 大小：12M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：平面波复合成像算法 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

相干平面波复合(CPWC)成像算法采用多个角度平面波成像结果直接叠加的方式进行成像,具有速度快,质量高等优点,CPWC成像直接叠加的成像方式,忽略了平面波成像结果之间的相干性。相干系数(CF)加权算法可以有效提高成像的分辨率和对比度,降低了背景成像质量。该文提出了短阶相干系数(SLCF)加权算法,该算法采用角度差异参数来确定相干系数的阶数,根据角度差异较小的平面波输出计算相干系数,对CPWC成像结果进行加权成像。仿真和实验结果表明SLCF加权算法相对于传统的CPWC成像算法,可以改善成像的横向分辨率和对比度。相对CF和广义相干系数(GCF)算法,SLCF可以提高对比度和背景成像质量,而且运算量更低。


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第 40卷 第 1 2 期  
2018年12月  
电
子
与
信
息
学
报
Vol. 40No. 12  
Dec. 2018  
Journal of Electronics & Information Technology  
短阶相干系数加权的平面波复合成像算法  
郑驰超  
张路南  
王
浩
彭
虎*  
(合肥工业大学生物医学工程系 合肥 230009)  
摘 要：相干平面波复合(CPWC)成像算法采用多个角度平面波成像结果直接叠加的方式进行成像，具有速度  
快，质量高等优点，CPWC成像直接叠加的成像方式，忽略了平面波成像结果之间的相干性。相干系数(CF)加  
权算法可以有效提高成像的分辨率和对比度，降低了背景成像质量。该文提出了短阶相干系数(SLCF)加权算  
法，该算法采用角度差异参数来确定相干系数的阶数，根据角度差异较小的平面波输出计算相干系数，对CPWC  
成像结果进行加权成像。仿真和实验结果表明SLCF加权算法相对于传统的CPWC成像算法，可以改善成像的  
横向分辨率和对比度。相对CF和广义相干系数(GCF)算法，SLCF可以提高对比度和背景成像质量，而且运算  
量更低。  
关键词：超声成像；相干平面波复合成像；短阶相干系数；角度差异参数  
中图分类号：TN911.7; R445.1  
DOI: 10.11999/JEIT180120  
文献标识码：A  
文章编号：1009-5896(2018)12-2919-09  
Plane-wave Compounding with Short-lag Coherence Factor Weighting  
ZHENG Chichao  
ZHANG Lunan  
WANG Hao  
PENG Hu  
(Department of Biomedical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)  
Abstract: The Coherent Plane-Wave Compounding (CPWC) algorithm is based on the recombination of several  
plane-waves with different steering angles, which can achieve high-quality images with high frame rate.  
However, CPWC ignores the coherence between the plane-wave imaging results. Coherence Factor (CF)  
weighted algorithm can effectively improve the imaging contrast and resolution, while it degrades the  
background speckle quality. A Short-Lag Coherence Factor (SLCF) algorithm for CPWC is proposed. SLCF  
uses the angular difference parameter to ascertain the order of the coherence factor and calculates the coherence  
factor for the plane-waves with small angular difference. Then, SLCF is utilized to weight CPWC to obtain the  
final images. Simulated and experimental results show that SLCF-weighted algorithm can improve the imaging  
quality in terms of lateral resolution and Contrast Ratio (CR), compared with CPWC. In addition, in  
comparison with CF and Generalized Coherence Factor (GCF) weighted algorithm, SLCF can achieve better  
background speckle quality and it has lower computational complexity.  
Key words: Ultrasound imaging; Coherent Plane-Wave Compounding (CPWC); Short-Lag Coherence Factor  
(SLCF); Angle difference parameter  
1 引言  
用价值[1–5]。近年来，多种信号处理方法被用于CP-  
WC算法中，进一步提升了CPWC算法的性能。文  
献[6,7]将基于最小方差自适应波束形成算法与CP-  
WC成像相结合，有效地提高成像质量。Toulem-  
onde等人[8]采用汤姆逊多窗谱方法用于CPWC成像  
中，在一定程度上改善了信噪比、对比度和分辨率  
等性能。文献[9]则将卷积神经网络用于CPWC成  
像中，有效地减少了成像复合次数。这些算法均有  
效地改善了成像质量，但这些算法相对复杂，运算  
量较大。  
相干平面波复合(Coherent Plane-Wave Com-  
pounding, CPWC)超声成像通过发射不同角度的  
平面波对同一区域进行成像，然后将不同角度平面  
波的成像结果进行直接叠加成像[1]。CPWC具有成  
像速度快，成像质量好等优点，在人体组织功能成  
像，弹性成像，血流速度测量等领域具有较高的应  
收稿日期：2018-01-29；改回日期：2018-06-06；网络出版：2018-08-30  
*通信作者： 彭虎ꢀ
基金项目：国家自然科学基金(61201060, 61172037)  
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of  
China (61201060, 61172037)  
相干系数(Coherence Factor, CF)最早由Holl-  
man等人[10,11]做为指标用于成像质量评价，后来做  
2920  
电
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息
学
报
第 40 卷  
为加权系数用于超声成像中提高成像质量。Yu等  
人[12]将CF系数用于加权虚拟源成像算法，实现了  
高质量的血管内超声成像，文献[13]等将CF系数引  
入到合成孔径成像中，有效改善了成像的对比度等  
参数。CF具有计算简单，分辨率高等优点，但也  
存在成像强度降低，背景组织噪声大等不足。文献  
[14]提出了广义相干系数(Generalized Coherence  
Factor, GCF)，拓展了CF的定义，能够有效地减  
少由于声速不均匀带来的聚焦误差，具有更好的稳  
健性。文献[15]将CF和信号的特征空间相结合提出  
了基于特征空间的相干系数(Eigenspace-Based Co-  
herence Factor, ESBCF)，有效提高了组织谐波成  
像中点目标的成像质量。文献[16]在CF计算的过程  
中将局部信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)的影响  
考虑进去，提出了比例相干系数(scaled Coher-  
ence Factors, scCF)，该系数解决了传统CF系数在  
SNR较低时成像质量降低的问题，进一步提高了成  
像的对比度。这些系数有效地克服了CF系数的不  
足，进一步提高了成像质量。CPWC发射不同角  
度的平面波对同一区域成像，对成像结果采用直接  
相加的方式进行成像，忽略了平面波成像结果之间  
的相干性。对于同一区域的组织成像时，平面波成  
像结果之间的相干性随着入射角度的差异增加而降  
低，当入射角度差异超过30%以上时，相干性下降  
明显[17]。据此本文提出短阶相干系数(Short-Lag  
Coherence Factor, SLCF)对CPWC进行加权成  
像。SLCF主要采用角度差异参数对CF系数进行修  
正，选取发射角度差异较小的成像结果做为变量进  
行计算。相对于CF系数，SLCF可以更加准确地估  
计背景组织的相干性，且具有计算阶数少，运算量  
低等特点。本文采用SLCF系数对CPWC输出进行  
加权成像，并通过实验和仿真证明SLCF加权算法  
可以明显提高成像质量。  
偏向角θ的大小和发射次数与发射信号的波长  
λ及发射孔径L有关，设发射角度的间隔Δθ为  
λ
Δθ= arcsin  
L
(2)  
由式(2)可知可知发射角度θm为  
θm = mΔθ, m= - M, -M + 1, ··· ,M  
(3)  
(4)  
其中，M可由式(4)确定：  
L
M=  
2λF  
其中，F称之为F数，与聚焦深度zf 有关，一般有  
F = zf/L。  
2.2 SLCF加权算法  
CF系数定义为系统中相干信号之和与不相干  
信号之和的比值，具体公式在文献[10–13]均有详细  
的描述，本文不再赘述。SLCF是根据不同角度平  
面波的对组织成像结果之间的相干性进行设计，根  
据角度相干性的特点选择合适的阶数来实现对组织  
相干性的准确评估，然后对成像结果进行加权，实  
现成像质量的改善。首先设角度差异参数为Q，最  
大偏向角度为θmax=MΔθ。 设SLCF的阶数为N，  
则第N个发射角度θN=NΔθ。  
Q反映了发射角度之间的差异情况，设Q为  
θN  
Q =  
× 100%  
(5)  
θmax  
可知Q≤1，Q值越小，则发射角度之间的差值  
就越小，最小差值为Δθ。根据式(3)可知：  
N
Q =  
× 100%  
(6)  
M
设定Q值可以确定阶数N值，可知N ≤ M。则  
根据式(1)，定义SLCF系数为  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ2  
N
■
ꢀ
ꢀ
s(p, θm)  
ꢀ
ꢀm=-N  
ꢀ
(7)  
SLCF(p) =  
N
■
2 原理  
|s(p, θm)|2  
m=-N  
2.1 CPWC成像  
CPWC算法是对阵列的阵元施加不同的延  
时，对同一成像区域发射不同角度的平面波，对平  
面波的成像结果进行空间复合，得到最终的成像输  
出[1]。  
CF系数计算时，所用阶数为M, SLCF的阶数  
少于CF阶数，因此运算量也更小。最后用SLCF系  
数对CPWC结果进行加权成像，公式为：  
M
■
1
S′(p) = SLCF(p)  
(p, θm)  
设空间中第m个平面波的发射角度为θm ，对  
于同一成像区域发射，得到第m个偏向角的平面波  
成像结果为s(p, θm)，设共有2M+1个偏向角，成像  
位置为p点，则可以得到CPWC的输出为  
(8)  
2M + 1 m=-M  
S′(p) 为SLCF加权算法的成像结果。由上述  
可知SLCF是根据Q值的大小而进行调节，对发射  
角度不同的CPWC成像，可以根据角度的差值大  
小选择合适的Q值，来计算SLCF系数，调节SLCF  
加权成像算法的性能。  
M
■
1
s(p) =  
s(p,θm)  
(1)  
2M + 1 m=-M  

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