第1章 绪论
1.1 超声成像的背景与意义
医学超声成像技术与X射线诊断技术、磁共振成像（MRI）及核医学成像一起被公认为现代四大医学超声影像技术，成为现代医学影像技术中不可替代的支柱.与其他成像技术相比，医学超声成像具有实时性好、无创、无电离辐射、无痛苦以及低成本等优势，广泛应用于临床检查和诊断，备受医务工作者和患者的欢迎。
超声成像虽然具有很多优势，但由于其工作模式、成像理论多年来都未有大的突破，因此当前的超声成像系统还有很多问题值得深人研究。例如，超声成像帧率低，现今的超声成像系统约为30帧/s，这对运动器官的实时诊断存在不利的影响；空间分辨率不够高，成像分辨率不如CT、核磁共振超声成像是从大量背景噪声中提取有用的信息，图像质量受到噪声干扰严重[1]。因此，目前的超声成像质量并不理想，有待进一步改进。
波束形成技术是超声成像系统中*关键与*基本的一项核心技术，直接决定了超声诊断设备的整体质量。波束形成一般分为模拟波束形成和数字波束形成。模拟波束形成一般采用模拟延迟线来完成每个阵元接收信号的延时控制。因为模拟波束形成的精度差，不灵活，受环境和元器件老化的影响较大，部分较为先进的算法难以实现等，所以模拟超声成像系统的图像质量难以大幅度的提高。随着近年来数字电子技术的快速发展，数字波束形成技术得到了迅速发展，即对各个阵元的超声回波进行AD采样数字化，然后在数字域中进行波束合成和其他后处理。由于数字波束形成具有延时精度高、稳定、设计灵活等优点，能够有效提高图像的分辨率，增加动态范围，降低随机噪声，从而获得较佳的超声图像质量，提高超声诊断的准确性，因此随着数字超声成像技术的迅速发展，数字波束形成算法成为医学超声成像的研究热点。
1.2 超声成像方法的现状
1.超声成像的发展历史与现状
20世纪70年代以来，医学超声工程技术的不断革新，推动了医学超声图像诊断广泛而深人地发展。数字化成像（digital technique imaging）、谐波成像（hannonic imaging，HI）、超声体成像（ultrasonic volume imaging）、组织弹性成像（tissue elasticity imaging）、合成孔径成像（synthetic aperture imaging）、Fourier成像（Fourier imaging）等新技术的应用推动了超声成像诊断技术的迅猛发展。现代医学超声诊断仪是结合了*新医学超声理论基础研究、新型压电材料和超声传感器、计算机处理、声成像技术与信息传输技术的产物，当今医学超声诊断新技术发展的特点主要体现在宽频带化、数字化、多功能化、多维化及信息化等五个方面的综合应用阻，这一发展引导着未来先进医学超声诊断设备研制的创新思维。
2.数字化成像
全数字化技术在目前超声诊断系统中广泛使用，相比模拟超声诊断仪，不但提高了图像质量，而且改善了系统的可靠性和稳定性。其核心是：
（1）宽频带传感器：解决了分辨力和穿透力的矛盾，能够同时获得丰富的组织结构反射信息。
（2）高速前端AD转换、传感器接收到的回被信号，直接进人AD转换，数字波束形成可以采用比模拟延迟线精度高的数字延迟，从而更加精确地进行聚焦。
（3）数字波束合成：全数字化技术中*为关键的技术，同时实现难度*大，包括聚焦技术、幅度变迹技术和可变孔径技术三个技术环节，成功地完成这三个环节的设计，即可显著提高系统的图像分辨率，增加动态范围，降低随机噪声，获得几乎完全没有失真的超声图像。
（4）回波信号的后处理：对数字波束合成后的回波信号进行处理，包括动态滤波技术、正交解调技术、对数压缩技术。
（5）图像显示处理z主要通过数字变换扫描技术实现超声图像的显示，包括数据存储技术、坐标变换技术以及线性插值技术。
（6）可控波形编码发射、线性调频波、Golay互补码和Barker码等编码技术的应用，对于提高成像的深度和信噪比，有显著效果因。
3.谐波成像
通常超声传感器中的压电振子以固有频率谐振发射基频超声波。若产生为基频n倍的超声波则称为n次谐波。谐波的成像质量是明显高于基波的，不过由于声衰减量与频率的平方成比例，通常二次谐波信号是微弱的。目前二次谐波成像技术主要用于自然组织和造影剂二次谐波成像。前者来自于检测组织所产生的非线性声学效应，后者来自于造影剂微气泡突然破裂所产生的激励信号。另外，分谐波（subharmonic）成像技术也在发展，它利用1月或1/3基频探测人体组织，可以减少衰减，提高横向分辨率。
4.超声体成像
虽然多种技术有力地促进了医学超声二维图像技术的飞跃发展，但在深人应用中也发现其中的不足：诊断的准确性较高地依赖于诊断医师掌握仪器的能力与医学知识；成像面间隙区域信号丢失；受检体空间结构是在诊断医师大脑中瞬间合成的印象；介入性治疗明显受到平面声像制约。1961年，&un和Greewood提出了超声体成像概念。超声体成像就是三维成像，其关键问题包括：三维重建与显示方式的算法、精确而方便使用的定位系统等。目前，三维超声成像技术主要应用在心脏、胎儿形体检查及血管内三维重建。
5.组织弹性成像
软组织弹性的改变通常与物理病变有关，因此触诊在现实疾病诊断中仍然广泛使用。触诊的基本原理就是对组织施加一个低频压力，利用手指的触觉定性地测量组织的响应，从而得到组织的定性估计。但触诊的有效性受限于病灶距体表的位置和医生的主观经验。组织弹性成像反映组织弹性特征，它利用特制的超声源对被测组织进行辐射激振，测量其动态位移，由应变与辐射力计算出响应的弹性系数显示组织的弹性及老化状态。
6.合成孔径成像
与传统的超声成像方法不同，合成孔径聚焦成像可以通过低的工作频率和较小的传感器孔径获得较好的分辨率。合成孔径聚焦（synthetic aperture focusing technique，SAFT）技术要求采样和存储每一个孔径点和整个国波信号，其全波采样与重建理论复杂，元论对硬件或软件都要求较高，后来人们又提出了各种改进方案，如多阵元合成孔径聚焦（multielement synthetic aperture focusing，M-SAF）、合成聚焦（synthetic focusing，SF）、舍成发射孔径（synthetic transmit focusing，STA）、合成接收孔径（synthetic receive focusing，SRA）。
7.Fourier成像
为了提高成像质量，探索新的成像理论和算法，Lu在1997年提出了一种Fourier超声成像系统。在这种方法中，*先发射脉冲平面波或阵列波束（arraybeam）到要成像的物体上，然后用参数不同的阵列波束对接收到的回波信号进行加权处理，其结果经插值后就得到图像的空间频谱，*后通过Fourier逆变换就可得二维或三维超声图像。这种成像算法的核心是Fourier变换，所以系统又称为Fourier成像系统。一次发射就可以重构一帧图像，从而可以到达高帧率（high frame rate，HFR）的成像输出，因此人们又称该成像为高帧率成像。
1.3 波束形成技术
在超声成像发展初期，绝大多数的B超和彩超仪采用模拟波束形成方式，即各个阵元的超声回波信号先前置放大，再通过模拟延迟线进行调整，*后经过求和处理模块进行波束合成。由于电子聚焦、幅度变迹等都是在模拟信号方式下完成的，因此这种方式的精度差，易受环境和元器件老化的影响，并且模拟延时线的使用也使超声成像系统的设计变得非常不灵活，先进的算法难以实现，从而使模拟超声的成像质量难以有大幅度的提升。
直到20世纪90年代，美国ATL公司研制出了世界**台前端全数字化超声诊断仪，将超声的数字化技术进一步前推到波束形成的则是美国GE公司，他们在2000年将数字编码技术应用于超声脉冲的编码与解码，这一处理放大了有用的微弱信号，抑制了不需要的回被信号，多方面改善了图像的质量。
在数字波束形成中，各个阵元的回波信号经过放大后，经AD采样数字化，在数字域进行延时叠加、变迹和合成孔径处理。采用数字波束形成技术存在以下优势：实现跟踪式动态聚集，大大改善了图像的横向分辨率；实时动态变迹；幅度信息（获得B塑图像）与相应信息（获得多普勒血流图像）可以在基本相同的硬件通道上得到；有效降低电路系统中噪声对波束形成的影响；先进的算法在数字系统中易于实现。这些技术优势使得数字超声系统的成像质量明显优于模拟超声，并在临床应用中逐步取代模拟超声成像系统阻。
数字波束形成技术作为超声成像的关键核心技术，直接决定着超声成像系统的图像质量。在近十几年，数字波束形成技术得到进一步的发展，相继出现了空间复合成像、自适应波柬形成技术以及数字多声束形成技术。
空间复合成像的原理早在20世纪80年代初就已被提出，但受当时计算机技术和电子技术的限制，一直停留在理论阶段。近几年来随着计算机处理能力和大型集成电路的发展，实时复合成像又被提起，并逐步进人实用阶段。
自适应波束形成已广泛用于元线通信、语音信号处理、雷达、声纳等阵列信号处理领域。近年来，自适应波束形成也被应用到超声领域。自适应波束形成技术是指利用接收的回披数据计算出动态的加权系数。该技术充分利用回波数据本身的特点，实现了真正的动态变迹，从而达到提高图像空间分辨率的目的。其中，*小方差波束形成（minimum variance beamfonning）是一种*常用的自适应波束形成方法。该方法*早由Capon在1969年提出，基本思想是在无失真约束条件下在指定方位或频率上获得*小方差，进而推导出*优权向量。但这种波束形成方法仅适用于远场、窄带非相关信号，而超声数据具有近场、宽带和强相关性等特点，限制了MV算法在医学超声成像中的应用。针对这些问题，Synnevag等采用前向空间平滑法，去除了回波信号的相关性。Asl等采用前后向（FB）空间平滑法，进一步提高了去除回波信号相关性的能力。Li等利用对角加载技术提高MV算法的稳健性。MV算法虽然能够有效地提高成像壁间分辨率，但对成像的对比度却没有改善。Asl等分别提出了MV与相干系数（CF）结合的算法及基于特征空间的MV（EIBMV）算法来提高成像分辨率、对比度，以及降低旁瓣等级。基于以上阐述，如何进一步提高图像的分辨率、对比度以及成像算法的稳健性是数字波束形成技术中重要的研究课题。
数字多波束形成技术是由数字波束形成技术与多波束形成技术结合而成。数字多波束形成技术只需发射一次脉冲信号，然后利用多个阵元接收到的回波信号形成多条接收声束。关于多波束形成技术的讨论在文献中极少见，但近几年已开始有产品问世。数字多波束形成技术具有很大的技术意义，不仅提高了图像的纵向分辨率、横向分辨率、时间分辨率及对比分辨率，而且也提高了成像速度。从而使得数字超声成像能够更好地应用于血流成像系统以及高速度的三维成像。
目前B型超声在临床中的应用*为广泛，因此，本书重点以B型超声成像系统进行分析。数字声束合成是超声成像的关键核心技术，对超声成像起着决定性的作用，也是本书要重点分析的内容。
参考文献
第2章 数字超声的基础理论与成像原理
本章将重点分析研究数字B型超声成像系统的原理和超声成像的基础理论，包括系统成像流程，超声信号的波形，传播过程中的反射、折射、衰减和声场特性。让读者逐渐掌握超声信号的基本特征，大致了解数字B型超声系统的成像过程。
