基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法

1.本发明涉及超声检测和超声成像领域，特别涉及基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法。


背景技术：

2.a扫描即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。b扫描是图像以二维图像显示，屏幕显示的是与声速传播方向平行且与工件的测量表面垂直的剖面。
3.传统的超声三维重建是通过b扫描所获得二维图像，虽然获取图像方便快捷，但是获取的图像不清晰和图像含有大量的噪声。因此，获取清晰的二维图像是获得高质量三维重建的前提。基于a扫描的三维重建方法，因为探头体积较小，可以适用于小物体的信号采集，能弥补b超声探头在这方面的不足之处；a超声的探头的频率一般高于其他的探头的频率，因此可以获得较高分辨率的二维图像。另外，通过超声a扫描进行三维重建时，采集a扫描需要借助信号采集装置驱动探头或被扫描组织，才能完成超声信号的采集。因此可以严格控制探头对被扫描组织的压力大小、扫描速度、扫描方向，因而更容易生成高质量的三维重建图像。
4.2017年，韩志辉等人在《3d ultrasound imaging in frequency domain with 1d array transducer》(ultrasonics，2017，76：28-34)文章中通过使用无仰角聚焦的线阵换能器收集回波信号，将收集的信号进行组合，在利用傅里叶变换在频率内构建三维图像。论文提出的方向需要改善轴向方向成像深度以及无阴影平面波边缘波的影响。图像质量需要通过多次传输得到改善，帧速率也有所降低。
5.2017年，杜娟等人在《three-dimensional reconstruction and visualization of human enamel ex vivo using high-frequency ultrasound》(ournal of medical and biological engineering，2017，37(1)：112-122)一文中通过使用3d电动扫描台获取牙齿表面的超声回波信并对射频信号采用增益补偿方法，由vtk对离体人牙釉质进行三维重建，取得一定的精度。仅依靠电动扫描台不能获取牙齿表面的所有的图像的信息，故成像的图像存在一定的缺陷。2017年，严郁等人在《基于matlab的超声射频信号成像重建设计》(中国医疗设备，2018，33(08)：77-79+99)一文中通过采集超声射频信号经过低频滤波、动态正交解调、带通滤波和下采样、动态显示范围压缩、扫描显示成像等步骤实现超声射频数据成像重建。虽然对射频信号经过多次的处理，但是成像的质量和成像的精度较低。
6.2020年，西北工业大学的黄庆华等人在《基于自监督3d全卷积神经网络的超声三维重建方法》(申请公布号：cn 111815764 a)专利中为了提高三维重建的精度，通过超声探头扫描得到人体组织的三维超声图，分别单独训练不同尺度的3d卷积核并将卷积核串联，得到级联后的3d全卷积神经网络，利用级联后网络进行三维超声图重建。通过3d全卷积神经网络对三维超声图进行提取图像，具有计算量较大和计算时间较长等不足。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，有效提高了a扫描成像的质量。
8.本发明的目的是这样实现的：一种基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，包括以下步骤：
9.步骤1)基于所搭建的超声信号采集装置进行超声射频信号的采集；
10.步骤2)基于双通道线性回归模型处理射频信号；
11.步骤3)基于射线投影法对预处理得到的二维图像进行三维重建。
12.作为本发明的进一步限定，步骤1)中所述超声信号采集装置包括底座，所述底座上面通过螺栓与y轴移动导轨丝杠相连接，所述y轴移动导轨丝杠通过螺栓与x轴移动导轨丝杠相连接，所述x轴移动导轨丝杠上方固定有载物台；所述底座通过螺栓与竖直支撑板相连接，所述竖直支撑板与z轴移动导轨丝杠通过螺栓固定连接，超声探头夹持装置通过螺钉固定在z轴移动导轨丝杠上。
13.作为本发明的进一步限定，步骤1)中所述采集超声射频信号具体包括：从原点扫描完第一个点之后，探头沿x方向移向下一个扫描位置，重复扫描直到到达设定的x方向的最大值，然后向y方向移动一个扫描位置，扫描完成后沿-x轴方向移动，直到扫描覆盖所有设定区域。
14.作为本发明的进一步限定，所述步骤2)具体包括：
15.步骤2.1)基于双通道线性回归模型对噪声进行精确清除；
16.步骤2.2)基于增益补偿法保持主信号信息量，提升二维图像成像清晰度。
17.作为本发明的进一步限定，所述步骤2.1)具体包括：将步骤1)中采集到的射频信号作为原始信号进行小波去噪处理；将信号分成低频和高频信号，在低频信号中阻止所有的高频信号的通过，在高频信号中阻止所有的低频通过，实现双通道高低频的去噪，得到双通道高低频去噪后的信号；
18.在去除噪声时，高通滤波器去除混入射频信号中的低频干扰，去除高频信号之后对射频信号进行解调，其中标准解调为：
19.p(n)＝r(n)cos(2πfctn)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
20.q(n)＝r(n)sin(2πfctn)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
21.其中，r(n)为高通滤波后的射频信号，fc为发射探头的中心频率，tn为声速方向上当前采样点所对应的时间。
22.使用调节方法将高频回波信号中提取两路正交信号p、q，发射信号的衰减和接收信号的频偏会随超声波束探测深度而增加，在标准解调后加入修正项，得到动态正交解调式为：
[0023][0024]
[0025]
其中，wr为频带带宽比例，a为物体衰减系数，d为当前采样点处的发射频率深度；
[0026]
经过调节之后信号含有高频谐波成分，通过低通滤波去除信号的高频谐波成分，基于线性回归的信号补偿，首先构建信号接收模型为：
[0027][0028]
其中，fc为发射探头的中心频率，δo为频谱的方差，x是传播距离。
[0029]
作为本发明的进一步限定，所述步骤2.2)具体包括：将步骤2.1)中双通道高低频去噪后的信号进行信号包络检测，将信号进行包络检测以后与原始信号进行模板匹配，对比原始信号的尖端信号和突兀的信号是否去除，然后对信号进行数压缩，如果压缩后的主信号衰减，则通过仿真设置理想信号模型进行增益补偿后，进行动态正交调节；如果主信号没有衰减则直接进行动态正交调节，最后进行扫描转换，生成二维图像；
[0030]
对衰减系数β进行估计：
[0031][0032]
其中，θ(xk,yk,zk)是在(xk,yk,zk)点经过滤波之后的数据，是该点补偿后的数据；
[0033]
对式(6)中f进行求导可以得到最大功率频率：
[0034]fmax
＝f
c-4βxδ
02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0035]
其中，β衰减系数，fc为发射探头的中心频率，δo为频谱的方差，x是传播距离；
[0036]
建立自回归模型，输出过程先前样本的线性和，所述自回归模型为：
[0037][0038]
其中，ac为系数，r(n)为采集的信号；
[0039]
建立滑动平均模型：
[0040][0041]
其中，be为系数，u(n)为白噪声；
[0042]
建立采样信号r(n)自回归滑动平均模型为：
[0043][0044]
采样信号r(n)的功率谱密度函数r(f)：
[0045][0046]
其中，均值为零的方差，ac为系数，be为系数；
[0047]
定义衰减的相对误差：
[0048][0049]
其中，η表示衰减的理论值，为估计值。
[0050]
作为本发明的进一步限定，所述信号包络检测是将原始超声射频信号被分成两路信号进行合并处理，得到包络信号：
[0051][0052]
其中，p(n)、q(n)为射频信号的分解信号。
[0053]
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果为：(1)针对主信号的衰减问题，对照设置的仿真理想信号并加入增益补偿的方法来阻止主信号衰减，进而提高二维图像的成像质量；(2)针对原始信号的噪声问题，提出双通道的线性自回归对信号进行降噪处理，并将处理完成的信号与原始信号进行对比判断噪声信号是否消除，最终预处理方法所获取的高保真二维图像，保证了后继的超声三维重建成像的高品质。
附图说明
[0054]
图1本发明超声信号采集装置示意图。
[0055]
图2本发明探头扫描移动轨迹示意图。
[0056]
图3本发明的流程图。
[0057]
其中，1底座，2y轴右侧移动导轨丝杠，3竖直支撑板，4z轴移动导轨丝杠，5超声探头夹持装置，6载物台，7x轴移动导轨丝杠，8y轴左侧移动导轨丝杠。
具体实施方式
[0058]
如图3所示的一种基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，包括以下步骤：
[0059]
步骤1)基于所搭建的超声信号采集装置进行超声射频信号的采集；
[0060]
先搭建如图1所示的超声信号采集装置，超声信号采集装置包括底座1，底座1上面通过螺栓与y轴移动导轨丝杠相连接，y轴移动导轨丝杠包括y轴右侧移动导轨丝杠2和y轴左侧移动导轨丝杠8；y轴移动导轨丝杠通过螺栓与x轴移动导轨丝杠7相连接，x轴移动导轨丝杠7上方固定有载物台6；底座1通过螺栓与竖直支撑板3相连接，竖直支撑板3与z轴移动导轨丝杠4通过螺栓固定连接，超声探头夹持装置5通过螺钉固定在z轴移动导轨丝杠4上。
[0061]
搭建好超声信号采集装置，按照图2所示的采集顺序对物体进行信号的采集，从原点扫描完第一个点之后，探头沿x方向移向下一个扫描位置，重复扫描直到到达设定的x方向的最大值，然后向y方向移动一个扫描位置，扫描完成后沿-x轴方向移动，直到扫描覆盖所有设定区域。
[0062]
步骤2)基于双通道线性回归模型处理射频信号；
[0063]
步骤2.1)基于双通道线性回归模型对噪声进行精确清除；将步骤1)中采集到的射频信号作为原始信号进行小波去噪处理；将信号分成低频和高频信号，在低频信号中阻止所有的高频信号的通过，在高频信号中阻止所有的低频通过，实现双通道高低频的去噪，得
到双通道高低频去噪后的信号；
[0064]
超声设备在采集超声射频信号的过程中，会引入硬件所产生的低频干扰，为了提高重建a扫描图像的质量，小波去噪在去除噪声时，高通滤波器去除混入射频信号中的低频干扰，去除高频信号之后对射频信号进行解调，其中标准解调为：
[0065]
p(n)＝r(n)cos(2πfctn)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0066]
q(n)＝r(n)sin(2πfctn)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0067]
其中，r(n)为高通滤波后的射频信号，fc为发射探头的中心频率，tn为声速方向上当前采样点所对应的时间；
[0068]
为了提高调解的结果，使用调节方法将高频回波信号中提取两路正交信号p、q，发射信号的衰减和接收信号的频偏会随超声波束探测深度而增加，在标准解调后加入修正项，得到动态正交解调式为：
[0069][0070][0071]
其中，wr为频带带宽比例，a为物体衰减系数，d为当前采样点处的发射频率深度；
[0072]
经过调节之后信号含有高频谐波成分，通过低通滤波去除信号的高频谐波成分，基于线性回归的信号补偿，首先构建信号接收模型为：
[0073][0074]
其中，fc为发射探头的中心频率，δo为频谱的方差，x是传播距离；
[0075]
步骤2.2)基于增益补偿法保持主信号信息量，提升二维图像成像清晰度；将步骤2.1)中双通道高低频去噪后的信号进行信号包络检测，将信号进行包络检测以后与原始信号进行模板匹配，对比原始信号的尖端信号和突兀的信号是否去除，然后对信号进行数压缩，如果压缩后的主信号衰减，则通过仿真设置理想信号模型进行增益补偿后，进行动态正交调节；如果主信号没有衰减则直接进行动态正交调节，最后进行扫描转换，生成二维图像；
[0076]
对衰减系数β进行估计：
[0077][0078]
其中，θ(xk,yk,zk)是在(xk,yk,zk)点经过滤波之后的数据，是该点补偿后的数据；
[0079]
对式(6)中f进行求导可以得到最大功率频率：
[0080]fmax
＝f
c-4βxδ
02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0081]
其中，β衰减系数，fc为发射探头的中心频率，δo为频谱的方差，x是传播距离；
[0082]
建立自回归模型，输出过程先前样本的线性和，自回归模型为：
[0083][0084]
其中，ac为系数，r(n)为采集的信号；
[0085]
建立滑动平均模型：
[0086][0087]
其中，be为系数，u(n)为白噪声；
[0088]
建立采样信号r(n)自回归滑动平均模型为：
[0089][0090]
采样信号r(n)的功率谱密度函数r(f)：
[0091][0092]
其中，均值为零的方差，ac为系数，be为系数；
[0093]
定义衰减的相对误差：
[0094][0095]
其中，η表示衰减的理论值，为估计值。
[0096]
信号包络检测是将原始超声射频信号被分成两路信号进行合并处理，得到包络信号：
[0097][0098]
其中，p(n)、q(n)为射频信号的分解信号。
[0099]
步骤3)基于射线投影法对预处理得到的二维图像进行三维重建；
[0100]
首先将生成的二维图像进行灰度化处理，经过灰度化处理的图像可以作为三维重建的二维图，再将生成的二维图像进行高斯滤波的处理去除图片的噪声。将去噪的图像经过坐标变换和射线投影法的对图像进行三维重建。
[0101]
本发明针对主信号的衰减问题，对照设置的仿真理想信号并加入增益补偿的方法来阻止主信号衰减，进而提高二维图像的成像质量。针对原始信号的噪声问题，提出双通道的线性自回归对信号进行降噪处理，并将处理完成的信号与原始信号进行对比判断噪声信号是否消除。本发明所提出的基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，一方面通过增益补偿的方法阻止主信号衰减，另一方面通过双通道的线性自回归对信号进行降噪处理，最终预处理方法所获取的高保真二维图像，保证了后继的超声三维重建成像的高品质。
[0102]
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技
术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)基于所搭建的超声信号采集装置进行超声射频信号的采集；步骤2)基于双通道线性回归模型处理射频信号；步骤3)基于射线投影法对预处理得到的二维图像进行三维重建。2.根据权利要求1所述的基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，其特征在于，步骤1)中所述超声信号采集装置包括底座，所述底座上面通过螺栓与y轴移动导轨丝杠相连接，所述的y轴移动导轨丝杠通过螺栓与x轴移动导轨丝杠相连接，所述的x轴移动导轨丝杠上方固定有载物台；所述底座通过螺栓与竖直支撑板相连接，所述的竖直支撑板与z轴移动导轨丝杠通过螺栓固定连接，超声探头夹持装置通过螺钉固定在z轴移动导轨丝杠上。3.根据权利要求1所述的基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，其特征在于，步骤1)中所述采集超声射频信号具体包括：从原点扫描完第一个点之后，探头沿x方向移向下一个扫描位置，重复扫描直到到达设定的x方向的最大值，然后向y方向移动一个扫描位置，扫描完成后沿-x轴方向移动，直到扫描覆盖所有设定区域。4.根据权利要求1所述的基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：步骤2.1)基于双通道线性回归模型对噪声进行精确清除；步骤2.2)基于增益补偿法保持主信号信息量，提升二维图像成像清晰度。5.根据权利要求4所述的基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，其特征在于，所述步骤2.1)具体包括：将步骤1)中采集到的射频信号作为原始信号进行小波去噪处理；将信号分成低频和高频信号，在低频信号中阻止所有的高频信号的通过，在高频信号中阻止所有的低频通过，实现双通道高低频的去噪，得到双通道高低频去噪后的信号；在去除噪声时，高通滤波器去除混入射频信号中的低频干扰，去除高频信号之后对射频信号进行解调，其中标准解调为：p(n)＝r(n)cos(2πf
c
t
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)q(n)＝r(n)sin(2πf
c
t
n
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，r(n)为高通滤波后的射频信号，f
c
为发射探头的中心频率，t
n
为声速方向上当前采样点所对应的时间。使用调节方法将高频回波信号中提取两路正交信号p、q，发射信号的衰减和接收信号的频偏会随超声波束探测深度而增加，在标准解调后加入修正项，得到动态正交解调式为：的频偏会随超声波束探测深度而增加，在标准解调后加入修正项，得到动态正交解调式为：其中，w
r
为频带带宽比例，a为物体衰减系数，d为当前采样点处的发射频率深度；经过调节之后信号含有高频谐波成分，通过低通滤波去除信号的高频谐波成分，基于
线性回归的信号补偿，首先构建信号接收模型为：其中，f
c
为发射探头的中心频率，δ
o
为频谱的方差，x是传播距离。6.根据权利要求5所述的基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，其特征在于，所述步骤2.2)具体包括：将步骤2.1)中双通道高低频去噪后的信号进行信号包络检测，将信号进行包络检测以后与原始信号进行模板匹配，对比原始信号的尖端信号和突兀的信号是否去除，然后对信号进行数压缩，如果压缩后的主信号衰减，则通过仿真设置理想信号模型进行增益补偿后，进行动态正交调节；如果主信号没有衰减则直接进行动态正交调节，最后进行扫描转换，生成二维图像；对衰减系数β进行估计：其中，θ(x
k
,y
k
,z
k
)是在(x
k
,y
k
,z
k
)点经过滤波之后的数据，是该点补偿后的数据；对式(6)中f进行求导可以得到最大功率频率：f
max
＝f
c-4βxδ
02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，β衰减系数，f
c
为发射探头的中心频率，δ
o
为频谱的方差，x是传播距离；建立自回归模型，输出过程先前样本的线性和，所述自回归模型为：其中，a
c
为系数，r(n)为采集的信号；建立滑动平均模型：其中，b
e
为系数，u(n)为白噪声；建立采样信号r(n)自回归滑动平均模型为：采样信号r(n)的功率谱密度函数r(f)：其中，均值为零的方差，a
c
为系数，b
e
为系数；定义衰减的相对误差：
其中，η表示衰减的理论值，为估计值。7.根据权利要求6所述的基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，其特征在于，所述信号包络检测是将原始超声射频信号被分成两路信号进行合并处理，得到包络信号：其中，p(n)、q(n)为射频信号的分解信号。

技术总结
本发明公开了基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，包括以下步骤：1）基于所搭建的超声信号采集装置进行超声射频信号的采集；2）对超声射频信号进行预处理获取高保真二维图像；3）基于射线投影法对预处理得到的二维图像进行三维重建。本发明所提出的基于双通道线性自回归模型的超声三维重建预处理方法，一方面通过增益补偿的方法阻止主信号衰减，另一方面通过双通道的线性自回归对信号进行降噪处理，最终预处理方法所获取的高保真二维图像，保证了后继的超声三维重建成像的高品质。品质。品质。


技术研发人员：孙进 雷震霆 马昊天 周威 谢文涛
受保护的技术使用者：扬州大学江都高端装备工程技术研究所
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8