超声成像中基于虚拟阵元的双聚焦波束合成方法

　　在医学超声成像领域，基于声场叠加或图像叠加的合成孔径聚焦(synthetic　aperture　focusing，SAF)方法得到了广泛应用。与传统的延时叠加波束合成方法相比，合成孔径聚焦成像能够明显提高图像的分辨率，是一种较有潜力的超声成像方法，但是该方法要求采样和存储每一个孔径点的整个回波信号，即全波采样，其重建理论较复杂，且成像的分辨率对于成像深度有很大的依赖性，无论对软件和硬件要求都比较高[1];其次，单一利用合成孔径聚焦技术，超声成像的回波信号信噪比SNR很低，具有较高的旁瓣等级，图像的对比度较差。因此，为进一步提高超声图像的分辨率和增加探测深度，研究学者开展了一系列新方法、新技术的研究。

　　近年来，虚拟阵元的概念已广泛应用于军事、民用通信及雷达天线探测系统等阵列信号处理领域，基本思想是在保持真实阵元数目不变的情况下，应用虚拟阵元技术使得阵元数目在虚拟上得到增加，从而减小波束宽度，提高分辨率[2]。然而，目前在国内超声成像领域，虚拟阵元技术的相关报道甚少。随着临床诊断需求的不断增加，对超声成像系统的成像质量提出了更高的要求。笔者将虚拟阵元技术引入到超声成像系统，结合延时叠加 (delay-and-sum，DAS)波束合成方法，利用2次延时叠加实现双聚焦波束合成(dual　focusing　beamforming，DFB)超声成像。该方法通过引入虚拟阵元的概念，结合合成孔径[3-4]聚焦技术，利用两个波束合成器BF1和BF2以及一个FIFO缓存器通过两次延时叠加，无需再存储大量的低分辨率回波数据，就能解决分辨率与探测深度之间的矛盾，进一步提高超声成像的分辨率，同时不降低成像的深度。为了验证该方法的有效性，进行了静态点散射目标的成像实验。

　　1　基于虚拟阵元的双聚焦波束合成方法

　　在超声成像的发射聚焦过程中，如果信源(signal　source)是一个真实的传感器阵元，那么此信源即为实源(real　source)，否则为虚 拟源(virtualsource，VS)[5]。Frazier等[6]首先研究了合成孔径技术中VS的应用。不同于天线等阵列信号处理领域的虚拟阵元概念，在超声成像发射聚焦过程中，将发射聚焦点视为一个虚拟源VS[5-6]，分别向前后发射声波信号，在接收聚焦过程中，若接收焦点与VS重合，此时虚拟源VS即为一个虚拟阵元(virtualelement，VE)。由于合成孔径聚焦及延时叠加波束合成适用于目前现有的任意传感器阵列，如线阵、凸阵以及凹阵探头，笔者仅以线性传感器阵列为例来论证所提出方法的有效性和普遍适用性。图1(a)即为传统的发射聚焦声场，若发射接收焦点为单一固定的，则焦点即为一个虚拟阵元，如图1(b)所示，分别向前后发射孔径角为2θa球面波前的声波信号[7]。当存在2个及以上虚拟阵元时，虚拟阵元的声场将出现叠加，如图1(c)所示。