環(huán)陣多陣元合成孔徑成像F 數(shù)優(yōu)化研究

摘 要： 使用環(huán)形陣列的超聲計(jì)算機(jī)斷層掃描（USCT） 在乳腺組織成像和工業(yè)無(wú)損檢測(cè)方面展示了顯著潛力，但圖像重建質(zhì)量仍面臨挑戰(zhàn)。該研究提出將F 數(shù)應(yīng)用于多陣元合成孔徑聚焦成像方法，在環(huán)形陣列中實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)掃查，并探討F 數(shù)對(duì)環(huán)形陣列合成孔徑成像的影響。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，使用乳腺仿真模型和直徑0.3 mm 的尼龍絲作為測(cè)試對(duì)象，設(shè)置發(fā)射和接收F 數(shù)為F、F/2、F/4、F/8、F/16進(jìn)行圖像重建，并進(jìn)行閾值分割處理和半高寬（FWHM） 分析。結(jié)果顯示，較低接收F 數(shù)能夠顯著減少靶標(biāo)畸變并提高成像精度，其重建圖像尺寸誤差減少了28.3%。對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)，低接收F 數(shù)顯著提高了空間分辨率，其中軸向分辨率提升了40%，橫向分辨率提升了36.7%。該研究為提升環(huán)形陣列USCT 成像性能提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞： 超聲計(jì)算機(jī)斷層掃描（USCT） 成像; 環(huán)形陣列; F 數(shù); 多陣元合成孔徑聚焦（M-SAF） 成像; 自動(dòng)掃查; 成像性能

中圖分類號(hào)： TB9; TB551 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2024）09–0046–10

0 引 言

超聲計(jì)算機(jī)斷層掃描（ultrasound computertomography，USCT） 技術(shù)以實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射和低成本的優(yōu)勢(shì)，成為臨床診斷的重要工具[1]。波束形成（Beamforming） 技術(shù)是影響超聲圖像質(zhì)量的關(guān)鍵，通過(guò)加權(quán)窗函數(shù)控制換能器陣列形成的波束形狀，減小旁瓣強(qiáng)度，提高圖像質(zhì)量[2]。在順序線掃描中，波束形成用于發(fā)射聚焦波束并提取回波信號(hào)進(jìn)行圖像重建，孔徑隨焦深增加以保持恒定的F 數(shù)（F-number），F(xiàn) 數(shù)是焦深與孔徑寬度的比率[3]。傳統(tǒng)波束形成方法的分辨率受限于物理孔徑大小。合成孔徑（synthetic aperture， SA） 技術(shù)通過(guò)移動(dòng)換能器陣列或多次發(fā)射和接收信號(hào)模擬更大孔徑，提高空間分辨率。多陣元合成孔徑聚焦（multielementsynthetic aperture focusing，M-SAF） 是SA 成像的一種類型，通過(guò)改變換能器陣列發(fā)射和接收孔徑的大小能夠?qū)崿F(xiàn)不同的成像效果[4]。SA 成像通常使用延時(shí)疊加（delay and sum，DAS） 波束形成器進(jìn)行圖像重建，其發(fā)射和接收加權(quán)函數(shù)可以獨(dú)立定義，為優(yōu)化圖像質(zhì)量提供更多了靈活性[5]。目前，基于線陣換能器的超聲成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)和工業(yè)檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)二維手持超聲（handheld ultrasound，HHUS） 依賴設(shè)備和操作者手勢(shì)，重復(fù)性差，成像視窗小，難以實(shí)現(xiàn)全方位成像[6-7]。環(huán)形陣列探頭通過(guò)360°訪問(wèn)角形成波束，產(chǎn)生各向同性的高分辨率圖像，不依賴操作者技能，實(shí)現(xiàn)了全方位自動(dòng)掃查[8]。基于環(huán)形陣列換能器系統(tǒng)的USCT 反射成像技術(shù)利用聲波從不同方向反射重建目標(biāo)圖像。屈曉磊等提出的基于環(huán)形陣列的SA 成像方法可產(chǎn)生與深度無(wú)關(guān)的各向同性高分辨率圖像，但采用一發(fā)全收方式，增加了計(jì)算量和存儲(chǔ)空間[9]。唐等人將USCT成像問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性方程系統(tǒng)，通過(guò)解決逆問(wèn)題重建圖像，但受限于陣元數(shù)量[10]。Berkan 等人提出稀疏采樣方法減少計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但使用兩個(gè)半環(huán)陣列可能影響圖像質(zhì)量[11]。因此，在借鑒先前研究成果的基礎(chǔ)上，該研究提出將多陣元合成孔徑聚焦成像方法應(yīng)用于環(huán)形陣列進(jìn)行反射成像，探究F 數(shù)對(duì)重建圖像的影響，并尋求最佳的發(fā)射接收F 數(shù)組合，以期優(yōu)化圖像質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中選取直徑為0.3 mm的尼龍單絲作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。