医学超声成像中自适应波束地形成方法地研究

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1、万方数据ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonadaptivebeamformingmethodsinmedicalultrasoundimagingCandidate：XuMenglingMajor：BiomedicalEngineeringSupervisor：Prof.DingMingyueAssociateProf.YuchiMingHuazhongUniversityofS

2、cienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2014万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电

3、子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据万方数据华中科技大学博士学位论文摘要作为四大医学影像技术之一，医学超声具有安全、便携、实时、低成本等优点，在临床诊断中已得到了广泛应用。在超声成像系统中，波束形成处于核心位置，对成像质量起着决定性作用。其中，延时叠加（delay-and-sum，DAS）波束形成技

4、术能简单而有效地实现超声图像的重建，已在商业产品中得到广泛的应用。但是，其所形成的波束主瓣宽度较宽、旁瓣水平较高，降低了图像空间分辨率和对比度。传统的变迹技术使用一组预先确定的权重（如汉明窗）来降低旁瓣干扰，但会增加主瓣宽度，牺牲了图像分辨率。自适应波束形成技术通过从接收信号中提取特征信息来确定孔径权重，在成像区域中形成更窄主瓣宽度和更低旁瓣级的高质量波束，能够同时增强分辨率和对比度。本论文以相干因子（coherence-basedfactor）自适应加权和最小方差（minimumvariance,MV）波束形成为主要研究对象，分析它们在超声成像中的优点和不足，并提出了

5、相应的改进方法，具体包括：首先，幅度相干因子法（thecoherencefactor,CF）和相位/符号相干因子（thephase/signcoherencefactor,PCF/SCF）法能以较低的计算复杂度显著抑制旁/栅瓣，减少杂波，但是会降低图像平均亮度、增大斑点方差甚至损失部分纹理信息。本论文使用复解析孔径数据，设计了一种基于相量离散度的相干因子，通过对相干波束和的加权，抑制旁瓣和杂波，减少离轴干扰信号和随机噪声。仿真和真实体模数据的实验结果表明：相比于DAS，该方法能同时提高分辨率和对比度。但是，它也会产生斑点纹理上的负面效果。为了解决该问题，我们通过一个用户

6、定义的参数α来调节离轴干扰抑制和图像纹理信息之间的平衡。结果表明，一个0.9至1之间、稍小于1的α值能获得最佳的成像结果。其次，MV波束形成方法能显著提高空间分辨率，但是对旁瓣和对比度的改善尚显不足。为此，本文提出将MV波束形成与相位相干成像相结合的改进方法。实验表明，该方法在保持高分辨率的同时，减少了旁瓣和杂波，但会造成图像亮度降低、斑点方差增大等问题。I万方数据华中科技大学博士学位论文然后，详细指出了使用相干因子波束形成方法（如CF、PCF/SCF）重建图像所存在的缺陷，包括：整体图像亮度降低，斑点方差增大，高回声反射体周围出现黑洞伪影以及远场点目标亮度被过低估计等

7、。为解决这些问题，本论文从理论上分析了它们产生的原因，进而提出一种新的空时平滑处理技术来修正相干因子类方法。由此所设计的空时平滑相干因子在一个发射脉冲的持续时间上测量所划分重叠子阵列的波束和之间的信号相干性。仿真和真实体模数据的实验结果表明，该方法能明显提高相干因子成像的鲁棒性，减少斑点方差，消除黑洞伪影，具有较强的杂波抑制能力，从而提高图像对比度，增强了图像中囊肿的可检测性。最后，为了进一步改善空时平滑相干因子方法的成像质量，提出了三种改进方案，即对该相干因子进行空间滤波、将其与空间复合技术相结合以及与最小方差波束形成相结合。仿真实验结