医学超声成像—合成孔径法（Synthetic Aperture Methods）[2]
医学超声成像—合成孔径法（Synthetic Aperture Methods）[2]
- 3. 医学超声成像（Medical Ultrasound Imaging）
- Transducer and Arrays（传感器阵列）
- 信号处理算法
- 成像质量评估参数（Image quality Factors）
Reference：Yao H . Synthetic Aperture Methods forMedical UltrasonicImaging[J]. 1997.
3. 医学超声成像（Medical Ultrasound Imaging）
- Ultrasound imaging: non-invasive nature and apparent safty
- 超声成像系统：transducer、scanning method、scan conversion technique
- 超声成像评价指标：空间分辨率（spatial resolution）、对比度（contrast resolution）、时间分辨率（temporal resolution）、信噪比（signal-to-noise ratio）
Transducer and Arrays（传感器阵列）
- 压电传感器（piezoelectric transducer）：将电信号转化为机械信号，将机械信号转化为电信号；可以发射短脉冲、接收回声
- 线性阵列：用于腹部（abdominal imaging）造影成像等
- 环形阵列：用于血管（intravascular imaging）造影等
- 压电传感器材料
衡量压电材料指标是ECC（Electrical-to-mechanical coupling coefficient）：
锆钛酸盐（PZT，lead zirconate titanate），ECC较高，但声阻抗大
聚偏氟乙稀（PVDF，polyvinylidene fluoride ）
- 单元传感器与阵列传感器
单元传感器（single element）：控制简单，不需要beamforming
多元传感器（multi-element）：能够提高信噪比，包括线性阵列、环形阵列、2D阵列
环形阵列（annular array）：将球形单晶切割成同心环来制造环形阵列。每个环相互独立，有自己的处理电路，一般有2-8个环。为每个环加相应的延时，改变接收时间，得到了一个可变的电子透镜。聚焦平面关于线性阵列对称。
线性阵列（linear phased array）：单元沿直线等间距排列，每个都可以发射接收声信号，单元间隔小于λ/2\lambda/2λ/2
曲线阵列（curved linear array）：单元排列在一个曲面上，可以更好地与被测曲面接触
2-D阵列：所需要的单元多，线性阵列需要32-128个单元，2-D阵列需要32×32,128×12832\times 32, 128\times 12832×32,128×128。但是有利于3-D成像
信号处理算法
超声成像系统示例图：
Transduer：发射声波信号，接收声波信号
RF-units：负责聚焦、位移等，得到不同波形、方向的超声波，对接收信号做beamforming（波束形成）
过程：将超声波束聚焦到一个方向，接收得到RF数据，聚焦求和得到单线（single line）RF数据，再移到下一个方向
扫描方法：
通常有两种扫描方法：机械扫描、电子扫描。扫描方向包括线性扫描、扇形（sector）扫描
1. 机械扫描：通过传感器搭载的电机移动等，线性扫描通常需要较大的声学窗口（acoustic window），扇形扫描需要较小的
2. 电子扫描：通过传感器阵列实现。对于扇形扫描，通过传感器单元电信号的延时实现不同方向的扫描，电信号延迟函数是关于单元位置的线性函数，为避免栅瓣（grating lobes），内部单元之间的间距需要小于λ/2\lambda /2λ/2；对于线性扫描，逐个或者逐组激发，单元间距可大于λ/2\lambda /2λ/2。
脉冲回波B模式成像（Pulse- Echo B-mode Imaging）
基于反射、散射回波成像
相位调制多普勒方法（phase demodulated Doppler methods）：对于移动物体，当物体靠近观测源时，频率会变高，反之，频率变低。
A模式（Amplitude mode）：最古老最简单的脉冲回波超声，回声幅度是关于穿透深度的函数
B模式（Brightness mode）：将A模式中的幅度信息转化为亮度信息，可以得到2-D扇形扫描区
C模式（Constant depth mode）：与B模式类似，区别在于扫描平面固定在距探头特定深度处
M模式（Motion mode）：对于运动物体，一个轴表示穿透深度（纵向时间），另一个轴表示时间（物体的空间位移）
扫描转换（Scan Conversion）
在B模式下，短脉冲波按照特定方向像人体传播，在不同组织（具有不同波阻抗）交界面被反射，传感器接收回波，可以重构出被测物体的切面图。得到极坐标图，纵轴为范围（深度）rrr，横轴为扫描角度θ\thetaθ。Scan conversion将数据从极坐标图变为笛卡尔坐标图。
笛卡尔坐标与极坐标的转换关系为：
进一步通过插值得到笛卡尔坐标系的图像。
插值
为降低时间成本，采用最近邻插值或者双线性插值。通常采用双线性插值：
插值公式为：
其中，点S1,S2,S3,S4S_1,S_2,S_3,S_4S1,S2,S3,S4的极坐标分别为：(r1,θ1),(r2,θ2),(r3,θ3),(r4,θ4)(r1,\theta 1), (r2, \theta 2), (r3,\theta 3), (r4, \theta 4)(r1,θ1),(r2,θ2),(r3,θ3),(r4,θ4)。
增益补偿（Gain Compensation）
超声在传播过程中会衰减，在不同深度的相同探测目标会有不同的回波幅值。- TGC（time-gain compensation）：增益补偿是关于深度的线性函数。利用超声在介质中的衰减公式计算补偿公式即可。
对数压缩（Logarithmic compression）
降低超声图像的动态范围，降低强弱信号之间的显示差距，使得弱信号更明显。对数压缩公式：
- TGC（time-gain compensation）：增益补偿是关于深度的线性函数。利用超声在介质中的衰减公式计算补偿公式即可。
成像质量评估参数（Image quality Factors）
最常用的评估参数：空间分辨率、对比分辨率、时间分辨率、信噪比
空间分辨率（Spatial resolution）
空间分辨率指两个反射点之间可以被区别的最小距离，用于衡量分辨小结构、边缘的能力。对于2-D成像，空间分辨率包括轴向分辨率、横向分辨率。
轴向分辨率（axial resolution）
沿着声波传播轴的分辨率，取决于脉冲的长度TpT_pTp（与传感器带宽BwB_wBw反相关），轴向分辨率为：
c为声波传播速度。传感器频率越高，脉宽越小，轴向分辨率越高。但是高频率会导致声波衰减变大，需要在这两者之间做权衡。
横向分辨率（lateral resolution）
垂直于声波传播轴的分辨率，主要取决于波束（beam）宽度，其次是孔径特征（由单元数量决定）、传感器频率与调焦。对于电子相控阵波束，横向分辨率为：
横向分辨率取决于主瓣角宽度θml\theta_{ml}θml，与传感器表面的距离RRR：
当角宽度较小时，公式可以简化为：
【问题】：角宽度θml\theta_{ml}θml如何确定？
当传感器主频增加时，波束宽度会减小，从而有更好的横向分辨率。
旁瓣问题：由阵列产生，会引入其他方向的信号噪声。栅瓣（grating lobe）是旁瓣的一种，当主瓣大角度转向时会产生栅瓣，会引入人工噪声。决定栅瓣的一个参数是两个相邻传感器单元的间距ppp（pitch），当满足一下条件时，栅瓣的影响可被完全消除：
其中，λmin\lambda_{min}λmin表示脉冲频谱中最高频率分量对应的波长。
对比度分辨率（contrast resolution）
对比度分辨率指最小能分辨的波阻抗。影响对比度分辨率的主要因素时空间分辨率、系统动态范围、旁瓣水平和图像噪声。空间分辨率影响高对比度的目标（波阻抗相差较大），图像斑点（speckle）噪声影响低对比度目标。
对比度分辨率也被称作图像动态范围，定义为最强信号与最弱信号之间的比值，通常以dB表示。
时间分辨率（temporal resolution）
时间分辨率定义为对运动物体的分辨能力，取决于系统成像时间（帧率：每单位时间可获取的图片数量）。获取一帧图像的时间TTT等价于处理一个波束的时间TbT_bTb与波束数量MMM的乘积。对于距离为R的物体，至少需要等待2R/c2R/c2R/c来获取信号，此时才能发射下一个波束。为了确保上一个脉冲已经全部接收完成，我们继续等待T0T_0T0才去发射下一个波束。帧率即周期TTT的倒数：
帧率在实时成像系统中时很重要的指标。
信噪比（Signal-to-noise Ratio）
表示有效信号与干扰噪声之间的比例。对于一个传感器单元，加噪图像满足：
s(t)s(t)s(t) 表示信号成分，n(t)n(t)n(t)表示噪声成分。
SNR满足：
当噪声分量与信号分量不相关时上式成立。噪声主要有两种类型：斑块噪声（speckle）、随机电子噪声。随机电子噪声主要由信号处理电路产生。散斑噪声（Speckle）是由来自许多小散射中心的声波的相干散射产生的。
对于M个单元的传感器阵列，SNR是原来的M倍。
总结
文章后面部分，使用electronic beamforming（电子扫描构成超声波束）和B-mode获得超声图像。由于使用了electronic beamforming，因此采用传感器阵列。
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