一种基于点扩散函数和去卷积的微血管超分辨成像方法、设备及介质

技术领域

本发明属于超声成像技术领域，特别涉及一种基于点扩散函数和去卷积的微血管超分辨成像方法、设备及介质。

背景技术

人体血管的解剖关系在临床手术中至关重要，术前对微血管进行探查并明确其解剖结构，在整形外科手术的术前皮瓣设计和术后护理分析、显微血管外科手术的术前评价、心血管疾病的预防和诊断等多个医学领域具有十分重要的意义。

随着研究的深入和临床上需求的进一步提高，微泡增强多普勒超声是近年来新发展的超声成像改良技术，是常规的彩色Doppler超声成像的一种增强模式，在临床中的应用逐渐增多。该技术的成像优势是通过微泡增强回声，可显示出更加细小的血管，同时兼备超声实时、无辐射、安全环保等优点。

发明内容

针对国内现有的并应用于微血管超分辨成像技术可靠性、准确性不足，对医护人员的专业水平要求较高，图像分辨率低等局限，本发明提出一种基于点扩散函数和去卷积的微血管超分辨成像方法、设备及介质，不仅能够提升成像的准确度和图像分辨率，而且还能有效抑制图像的背景噪声。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于点扩散函数和去卷积的微血管超分辨成像方法，包括：

S1：获取造影增强的超声回波信号，对其进行信号前处理、波束合成与正交解调，得到N帧超声图像；

S2：对N帧超声图像进行图像后处理，最后对处理后的N帧超声图像叠加得到微血管超分辨率图像；

所述图像后处理包括：去相干、插值、微泡分离、去噪、点扩散函数去卷积、定位微泡质心；

所述微泡分离包括：对每帧超声图像，首先利用一个超声微泡模型的成像结果作为点扩散函数PSF1，对超声图像中的所有子图进行二维归一化互相关计算，将其中互相关系数最大的子图作为该超声图像对应的点扩散函数PSF2；然后利用点扩散函数PSF2，进一步对超声图像进行二维归一化互相关处理，并保留超声图像内互相关系数大于阈值T的子图；

在点扩散函数去卷积时，采用微泡分离得到的点扩散函数PSF2，作为对应超声图像进行去卷积的模糊核。

进一步的，采用10um钨丝模型来模拟所述一个超声微泡的成像结果。

进一步的，所述二维归一化互相关的计算式为：

式中，(x,y)表示待参与二维归一化互相关处理的超声图像的任意子图S

进一步的，采用迭代Richardson-Lucy算法对超声图像进行点扩散函数去卷积处理，表示为：

其中，f

进一步的，所述信号前处理包括信号放大、AD转换、滤波和变迹；所述波束合成采用相干平面波复合和相干因数加权。

进一步的，采用奇异值分解的方式对图像进行去相干处理：首先将解调后的N帧图像(x,y,N)重新组合成Casorati矩阵(x×y，N)；然后对矩阵(x×y，N)进行奇异值分解得到一个奇异值矩阵，并根据预设的边界阈值提取中间部分奇异值构成新的奇异值矩阵最后利用新的奇异值矩阵做奇异值分解的逆运算，得到一个新的N帧图像。

进一步的，采用双线性插值将去相干得到的图像进行插值，使图像的像素点间隔降低到10um。

进一步的，定位微泡质心时，对去卷积所得超声图像，将其中所有孤立子图的强度峰值均作为1个超声微泡的质心位置，并在孤立子图中只保存微泡质心位置的像素值。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述任一项所述方法中的波束合成与正交解调、图像后处理。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法中的波束合成与正交解调、图像后处理。

有益效果

1)在本发明中，使用线性阵列超声换能器向目标成像区域发射多角度、超高脉冲重复率的平面超声波，并接受超声回波信号，能够有效追踪沿微血管流动的超声微泡，从而提高图像的信噪比；

2)引入微泡点扩散函数PSF2，在二维归一化互相关处理中能够极大提高微泡的检测精度和效率；

3)利用Richardson-Lucy去卷积算法复原图像，能够提升微泡质心的定位准确度、图像分辨率以及对比度，降低背景噪声。

附图说明

图1为本发明实施例所述方法的流程图；

图2为本发明实施例所述方法中图像后处理的算法流程图；

图3为小鼠腿部黑色素瘤区域的超声B-mode成像结果。

图4为小鼠腿部黑色素瘤区域微血管超分辨结果，其在步骤5的图像后处理中没有进行微泡点扩散函数去卷积计算。

图5为小鼠腿部黑色素瘤区域微血管超分辨结果，其在步骤5的图像后处理中的归一化互相关系数的计算采用了钨丝点扩散函数PSF1。

图6为小鼠腿部黑色素瘤区域微血管超分辨结果。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本实施例提供一种基于点扩散函数和去卷积的微血管超分辨成像方法，如图1所示，包括：

步骤1、六氟化硫超声微泡作为一种已经获得临床应用批准的造影剂，能够增强血管内血流超声回波信号，提高超声图像的清晰度和分辨率，因此首先将低浓度的六氟化硫超声微泡混悬液注射到成像目标的静脉血管内，其中超声微泡混悬液的浓度以及注射的方式应根据成像目标和成像区域的不同而有所区别。本实施例针对小鼠的一种具体实施方式为：向含有六氟化硫微泡冻干粉末的小瓶内注射5mL0.9％的生理盐水，用力振摇得到混悬液，然后抽取0.2mL混悬液再次稀释5倍，并最终将低浓度的六氟化硫微泡混悬液一次性注射到小鼠血管内。

步骤2，控制线性阵列超声换能器向目标成像区域发射多角度、超高脉冲重复率的平面超声波。超声波的发射角度范围为-18°～+18°，发射角度间隔为6°，脉冲重复率为1.4KHZ。

随着超声微泡在血管中流动至目标成像区域，其在超声换能器发出的高频超声波作用下产生共振，发出超声回波。

步骤3，发收一体的线性阵列超声换能器接受目标成像区域的超声回波信号并传输到Verasonics Vantage 256(超声多通道研究平台)进行信号前处理，其中信号前处理包括信号放大、AD转换、滤波、变迹等。

前述步骤1-3均为现有技术，本申请中描述仅用于方便理解本发明初始所获取的造影增强的超声回波信号。

步骤4，Verasonics Vantage 256将处理后的信号经PIC线传输到电脑主机进行信号的波束合成及正交解调，其中波束合成采用相干平面波复合和相干因数加权。

步骤5，将正交解调后的信号进一步做图像后处理，其中图像后处理包括奇异值分解(去相干)、插值、二维归一化互相关处理(微泡分离)、去噪、点扩散函数去卷积、定位微泡质心。参考图2所示，具体包括：

(1)首先将正交解调后的IQ数据(x,y,N)重新组合成Casorati矩阵(x×y，N)，然后进行奇异值分解的计算并得到一个奇异值矩阵，由于在奇异值矩阵中，低阶奇异值代表静态的组织信号，高阶奇异值代表噪声，为了提取到有效的微泡信号，选择中间部分的奇异值，最后再利用新的奇异值矩阵做奇异值分解的逆运算并得到一个新的IQ数据集。

(2)选择双线性插值将超声图像像素点间隔降低到10um。

(3)预先获得10um钨丝模型的点扩散函数PSF1之后，计算其与去相干和插值之后的每帧二维超声图像的最大二维归一化互相关系数，然后找到最大互相关系数在二维超声图像中的对应区域，并将该区域标定为当前计算帧二维超声图像的微泡点扩散函数PSF2。

插值后的每帧二维超声图像与点扩散函数PSF1之间的二维归一化互相关的计算式为：

式中，(x,y)表示待参与二维归一化互相关处理的超声图像的任意子图S

(4)选择微泡点扩散函数PSF2作为二维归一化互相关处理的模板图像，并计算其与每帧超声图像的互相关系数，之后保留超声图像中互相关系数大于阈值T的子图。二维归一化互相关系数的具体计算方式，与步骤(3)中的计算式相同，区别仅在于点扩散函数不同：

(5)选择微泡点扩散函数PSF2作为Richardson-Lucy去卷积算法的模糊核。去卷积算法的迭代次数视成像目标和成像区域不同而选择合适的迭代次数，本实施例中的小鼠腿部黑色素瘤的微血管成像选择30次迭代。Richardson-Lucy算法具体计算方式如下：

其中，f

(6)对去卷积所得超声图像，将其中所有孤立子图的强度峰值均作为1个超声微泡的质心位置，并在孤立子图中只保存微泡质心位置的像素值。

步骤6，将步骤5处理得到的N帧二维超声图像进行叠加，并最终得到一张微血管超分辨图像。

从图3-图6的结果，可以清楚的看到微血管的组织结构和形态特征，如起源、终止、管径、位置、走行、变异、伴行情况、穿支情况及与皮瓣的关系等。因此本发明方法在微血管成像领域具有广阔的应用前景，能够实际应用于显微血管外科手术的术前评价、心血管疾病的预防和诊断等多个医学领域，从而为医生在对病人的诊断和疗效评估过程中提供参考度更高，更丰富的影像资料，用其作为医生诊断病情的辅助手段，能够极大地提高医疗诊断的准确性和科学性。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述实施例中所述方法中的波束合成与正交解调、图像后处理。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中所述方法中的波束合成与正交解调、图像后处理。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。