【優(yōu)博微展2018】劉敬：基于壓縮感知的高幀頻超聲成像研究

taotao_2016 2019-06-30

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劉敬：2018年清華大學優(yōu)秀博士學位論文二等獎獲得者

基于壓縮感知的高幀頻超聲成像研究

A Study on Compressed Sensing Based High Frame Rate Ultrasound Imaging

作者：劉敬

指導教師：羅建文

培養(yǎng)院系：醫(yī)學院

研究背景/選題意義/研究價值

超聲成像因其實時、經濟、無電離輻射等優(yōu)點，被廣泛應用于健康檢查和臨床診斷。超聲成像的兩個重要指標是成像幀頻和圖像質量（空間分辨率、信噪比和對比度）。然而，受超聲成像原理的限制，這兩個指標是互相制約的。盡管目前的商用超聲系統(tǒng)能在兩者之間取得很好的平衡，但該平衡已不能滿足三維超聲成像，剪切波彈性成像、以及矢量血流成像新型超聲成像的需求。

上述新型超聲成像的發(fā)展依賴于高幀頻、高圖像質量的超聲成像。隨著硬件的發(fā)展，傳統(tǒng)的高幀頻超聲成像開始煥發(fā)新的生機，成為目前超聲領域的研究熱點。但是，這些方法需要在幀頻和圖像質量之間進行折衷。近年來，壓縮感知打破傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣理論，能用更少的采樣數據重建原始信號。利用這一優(yōu)勢，本研究將壓縮感知應用于超聲成像，開發(fā)了新的高幀頻，高圖像質量的超聲成像方法。

主要研究內容

1. 根據聲學理論，證明了變跡平面波發(fā)射和合成發(fā)射孔徑發(fā)射所接收到的通道數據，滿足壓縮感知采樣的線性測量關系；利用對稱小波基，對合成發(fā)射孔徑接收到的通道數據進行稀疏表示。結合上述關系，提出了一種新的超聲成像方法，即基于壓縮感知的合成發(fā)射孔徑(CS-STA)，通過發(fā)射少量變跡平面波，恢復合成發(fā)射孔徑通道數據。

平面波和合成發(fā)射孔徑的關系示例：第一行為m次平面波發(fā)射，每次發(fā)射接收到的數據為

每個陣元的發(fā)射變跡為

第二行為n次合成發(fā)射孔徑發(fā)射，每次接收到的數據為

每次只有第i個陣元被激活；兩種發(fā)射方式接收到的數據滿足關系：

2. 采用平面波的發(fā)射方式，選擇均勻隨機矩陣作為發(fā)射變跡，在線陣超聲探頭上實現了CS-STA成像方法；通過仿真，仿體和在體實驗，證明了CS-STA能實現高幀頻，高質量的超聲成像。和傳統(tǒng)高幀頻超聲成像方法對比，CS-STA能在相同的幀頻下，獲得更高的圖像質量；采用發(fā)散波的發(fā)射方式，分別在凸陣和相控陣探頭上實現了CS-STA成像方法，提高了該方法的通用性。

3. 選擇（部分）哈達瑪矩陣作為CS-STA的發(fā)射變跡，進一步提高了CS-STA的成像幀頻和圖像質量，并將其重建速度提高了大約100倍；另外，提出了兩種進一步加速重建速度的方法。一是選擇重建采樣率更低的同相-正交數據。二是利用并行計算。

64次發(fā)射的（a）STA，（b）采用均勻隨機矩陣的4次發(fā)射的CS-STA，和（c）采用哈達瑪矩陣的4次發(fā)射的CS-STA。可以看到，采用哈達瑪矩陣的CS-STA能提高STA的對比度，并能獲得比均勻隨機矩陣更佳的圖像質量。

主要創(chuàng)新點

1. 提出了一種新的高幀頻超聲成像方法即基于壓縮感知的合成發(fā)射孔徑（CS-STA）；

2. CS-STA測量矩陣占用空間小、可以靈活改變用于提高重建質量和重建速度；

3. 能通過改變發(fā)射方式適用于線陣、凸陣和相控陣超聲探頭；

4. 提出采用部分哈達瑪測量矩陣進一步提高CS-STA的成像幀頻、圖像質量和重建速度；

5. 提出了基于IQ數據的CS-STA，能在不明顯惡化圖像質量的前提下提高重建速度。

科研成果

SCI論文

1. Liu Jing, He Qiong, Luo Jianwen. A compressed sensing strategy for synthetic transmit aperture ultrasound imaging [J]. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2017, 36(4): 878-91. (IF = 3.94)

2. Liu Jing, He Qiong, Luo Jianwen. Compressed sensing based synthetic transmit aperture imaging: Validation in a convex array configuration [J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2018, 65(3): 300-15. (邀請發(fā)表，IF = 2.74)

3. Liu Jing and Luo Jianwen, 'Compressed sensing based synthetic transmit aperture for phased array using Hadamard encoded diverging wave transmissions,' IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2018. DOI: 10.1109/TUFFC.2018.2832058. (SCI, IF = 2.74)

4. He Qiong, Tong Ling, Huang Lingyun, Liu Jing, Chen Yinran, Luo Jianwen. Performance optimization of lateral displacement estimation with spatial angular compounding [J]. Ultrasonics, 2017, 73: 9-21. (IF = 2.33)

專利

1. 羅建文, 劉敬, 何瓊. 合成聚焦超聲成像方法和裝置. 中國發(fā)明專利. 專利號：CN201510142749.4. 公開號：CN104688271A. 授權日期: 20170309.

2. 羅建文,劉敬,何瓊.合成聚焦超聲成像方法和裝置. PCT專利，申請?zhí)枺篜CT/CN2015/089005

3. Jianwen Luo, Jing Liu, Qiong He. Method and device for ultrasonic imaging by synthetic focusing. Application No.: 15/526,305. Pub. No.: US 2017/0336500 A1. Pub. Date: Nov. 23, 2017. (美國專利)

4. Jianwen Luo, Jing Liu, Qiong He. Method and device for ultrasonic imaging by synthetic focusing. Application No.: 15/526,305. Application. No.: EP15887196.2. (歐洲專利)

EI論文

1. Liu Jing, Luo Jianwen. Compressed sensing based synthetic transmit aperture for phased array imaging [C]. IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2017: 1-4. (獲Student Travel Support Awards)

2. Liu Jing, He Qiong, Luo Jianwen. Compressed sensing for synthetic transmit aperture [C]. IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2015: 1-4. (獲Student Travel Support Awards)

3. Liu Jing, He Qiong, Luo Jianwen. Compressed sensing for high frame rate, high resolution and high contrast ultrasound imaging [C].The 37th Annual International conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2015: 1552-1555.

其他

1. 劉敬, 羅建文. 壓縮感知在超聲成像中的應用研究進展 [J]. 中國醫(yī)療器械信息, 2015, 11: 12-7.

2. 劉敬, 何瓊, 羅建文. 基于壓縮感知的高時空分辨率、高對比度超聲成像, 2015年度中國生物醫(yī)學工程聯合學術年會. (獲蔣大宗青年論文競賽三等獎)

作者：劉敬