一種空間複合成像中的幀相關處理方法及系統的製作方法

2023-06-29 22:22:01 1

專利名稱：一種空間複合成像中的幀相關處理方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及超聲系統中的複合技術，具體涉及一種空間複合成像中的幀相關處理方法及系統。
背景技術：
在B型超聲成像中，圖像的質量受到斑點噪聲、聲影、超聲失落、混響等影響，這些 因素的產生機理各不相同，如斑點噪聲(speckle noise)由成像物中散射子的分布以及它 們到探頭的距離等因數綜合決定，使圖像上出現明暗交替的斑紋；超聲失落由於反射角較 大而使回波未能被探頭接收，在圖像上表現為組織界面的不連續；強回聲後面出現暗區即 聲影，使其中的細節不能被看清；垂直入射的超聲波在探頭和聲學界面之間形成多次反射 產生偽像(混響)等。複合(compounding)技術常被用於改善超聲圖像質量，包括空間復 合、頻率複合和時間複合。空間複合技術中的多角度空間複合技術通過掃描線的多角度偏轉，從不同方向對 目標區域進行回波成像，獲得不同偏轉角度的組件圖像(component image)，這些組件圖像 按照一定的方法進行空間複合得到包含多角度信息的複合圖像。由於不同角度的入射引起 的斑點噪聲具有較弱的相關性，而目標信號則具有較強的相關性，因此多個組件圖像複合 計算後目標信號被增強，而斑點噪聲則相對減弱，從而提高圖像中目標的對比度。由於不同 偏轉角度產生的聲影和超聲失落區域不重疊，通過多角度組件圖像複合可以有效降低聲影 和超聲失落的影響。而混響通常產生在與聲束垂直的強反射界面的情況下，通過偏轉聲束， 使得聲束與該反射界面不垂直，從而避免了混響的產生，因此通過多角度組件圖像複合就 可以有效的降低混響的影響。由此可見，通過多角度空間複合可以減弱甚至消除這些圖像 缺陷，提高B型超聲圖像的質量。時間複合技術即幀相關技術，因其實現成本較低、且幾乎不降低空間解析度，而被 所有超聲成像系統所採用。不同時刻超聲圖像中的隨機噪聲不相關，因此通過不同時刻圖 像的平均可以有效提高圖像信噪比；雖然靜止目標產生的斑點噪聲不是隨機的，但是實際 上人體內組織的運動和超聲探頭的運動都會改變斑點噪聲，因此不同幀超聲圖像中的斑點 噪聲通常也具有較弱的相關性，從而利用多幀圖像平均技術同樣可以降低斑點噪聲的影 響，提高圖像的對比解析度。由上所述，結合空間複合和幀相關的聯合複合技術可以進一步的消除或降低斑點 噪聲、聲影、超聲失落、混響等對圖像的影響，提高圖像質量，然後這種單純的複合實現方式 也存在一定的問題。一般來說，現有技術中通常在空間複合成像模式下，進行普通B成像的 幀相關，這樣做會遇到兩個問題第一幀相關的位置必須在空間複合之後進行，否則不同 角度信息沒有配準就被疊加到一起，導致圖像信息紊亂；第二 如果在空間複合後進行幀 相關，可能會導致圖像的不同區域出現明顯的邊界。因為在空間複合下，複合後圖像不同區 域實際更新的幀率不同，如圖1，三幀複合的情況下，由於偏轉圖像的原因複合圖像有三個 區域，其中左右是兩幀複合的結果，中間是三幀複合的結果，如果對複合後的圖像進行幀相關，則左中右三個區域都用了同樣相關係數，那麼中間區域的幀相關效果就會強於兩邊的 區域，這樣就會造成同一幅圖像上不同區域的信噪比及時間解析度不同，在更多幀數的空 間複合時會在不同區域相鄰處產生可見的邊界。可見現有技術中存在一定的缺陷，需要進一步地改進。

發明內容
本發明的目的在於提供一種空間複合成像中的幀相關處理方法及系統，其通過在 空間複合之前增加同角度幀相關處理，避免了單純空間複合加幀相關所遇到的圖像信息紊 舌L、以及圖像出現明顯邊界的問題。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方 案本發明提供了一種空間複合成像中的幀相關處理方法，其包括A、將具有相同偏轉角度的組件圖像進行幀相關處理；B、利用所述幀相關處理後的組件圖像進行空間複合處理，生成複合圖像。基於上述方法，本發明還提供了一種空間複合成像系統，包括空間複合成像控制 器、空間複合圖像處理器和B信號預處理器，還包括同角度幀相關處理器，用於接收所述 B信號預處理器輸出的組件圖像，並將具有相同偏轉角度的組件圖像進行幀相關處理，以及 將幀相關處理後的結果輸入至所述空間複合圖像處理器中；幀相關係數計算器，用於根據 空間複合成像控制器的相關參數計算幀相關處理時的幀相關係數，並將結果輸入至所述同 角度幀相關處理器。發明效果本發明針對單純的應用空間複合結合幀相關的圖像處理方法的不足， 提出在空間複合模式下的幀相關技術及其系統，將幀相關處理置於空間複合之前，並採用 同角度幀相關處理，使得在空間複合之前就預先對不同角度的信息進行同等程度地去噪處 理，然後再疊加到一起，避免圖像信息混亂，同時也不會導致圖像的不同區域出現明顯的邊 界。


圖1為表示不同偏轉角度的組件圖像；圖2為空間複合計算的示意圖；圖3為實時複合成像示意圖；圖4為本發明空間複合成像系統的結構示意圖；圖5為本發明同角度幀相關處理器的內部實現框圖。
具體實施例方式以下將結合附圖詳細描述本發明的具體實現方式。為了將空間複合和幀相關處理有效的結合，並提高圖像質量，本發明提出了一種 新的空間複合成像中的幀相關處理方法，其包括以下步驟首先，將具有相同偏轉角度的組件圖像進行幀相關處理；然後，利用所述幀相關處 理後的組件圖像進行空間複合處理，生成複合圖像。這裡的組件圖像可以是相鄰偏轉周期 內的同偏轉角度的圖像，也可以是不相鄰偏轉周期內的同偏轉角度的圖像。
從上可見，本發明在空間複合處理之前增加了一步同角度幀的幀相關處理過程， 從而避免了現有技術中存在的，當空間複合與普通幀相關結合時所容易出現的圖像信息配 準、圖像信息紊亂、以及圖像複合後出現明顯的邊界的問題。將同角度幀相關處理過程置於 空間複合處理之前，則可以預先對不同角度的組件圖像進行去噪處理，有效提高圖像信噪 比，降低斑點噪聲的影響、提高圖像的對比解析度，這樣在進行實時空間複合時，因為對不 同區域的去噪處理程度是相同的，不會影響圖像的合成質量，不易出現明顯的邊界。本發明空間複合成像過程中存在以下三個重要的環節第一、偏轉成像的控制過程，其可以獲得不同偏轉角度的組件圖像。 偏轉成像的目的是配合後面的空間複合處理環節，產生不同掃描偏轉角度的組件 圖像。偏轉成像的產生的不同偏轉角度的組件圖像如圖1所示，圖1中c(0，l)表示為未經 偏轉的組件圖像，c(0，0)表示為向左偏轉N度的圖像，C(0，2)表示為向右偏轉N度的圖像。 偏轉成像控制根據不同的空間複合檔位決定不同偏轉掃描角度組件圖像的數目，即當前復 合模式下的一個周期內的幀數或者角度數。典型應用為檔位0對應1個掃描偏轉角度，檔位1對應3個掃描偏轉角度，檔位2 對應5個掃描偏轉角度。檔位0時只有一個掃描偏轉角度，為未偏轉掃描。檔位1和檔位 2的角度數為奇數，其中需要有一個角度為未偏轉發射掃描的角度，其餘的偶數個角度為左 右偏轉角度對應的偏轉發射掃描。例如，檔位1時，其中一個掃描發射角度為未偏轉掃描 (也可視為0角度)，另外2個角度分別為相對於0角度發射左偏10度掃描和右偏10度掃 描。偏轉成像控制為周期性控制，按照設定的不同的偏轉角度組件圖像數為周期。每 個周期內不同偏轉角度組件圖像的產生順序可由配置數據文件配置，典型的順序為圖1所 示，先產生左偏圖像，然後產生未偏轉圖像，最後產生右偏圖像。對於不同檔位的偏轉掃描 發射角度的個數、偏轉的角度和發射的順序均可通過配置數據文件進行配置。第二、同角度幀相關處理過程，其過程如下1、接收當前組件圖像，得到當前組件圖像對應的偏轉角度；2、根據當前組件圖像，查找同一偏轉角度對應的幀相關處理後的組件圖像，通常 在進行空間複合成像時均會緩存一定數量的組件圖像，在這裡可以以一預定長度為基本單 位進行數據緩存，便於後續的圖像處理；3、計算幀相關係數，這裡的幀相關係數對於具體某一幀圖像而言，其所有像素的 幀相關係數可以使用同一個值，也可以為每個像素計算不同的係數，此幀相關係數是關於 一變量的函數，這裡的變量至少包括幀率、偏轉周期內的幀數、組件圖像像素亮度均值、用 於幀相關處理的組件圖像同一位置像素的差、組件圖像同一位置的像素亮度值之一。4、利用計算獲得的幀相關係數，將當前組件圖像與查找到的組件圖像進行加權求 和，獲得幀相關處理後的組件圖像。在本發明的空間複合成像過程中，進行空間複合之前需對上傳的每幀組件圖像 χ (η)進行同角度幀相關處理，其幀相關計算公式為y(n) = α [y (n_kN)-χ (η) ]+χ (η)，0 < α < 1, k = 1,2,3, ...(1)其中，y(n)為幀相關計算結果，N為當前複合模式下的一個周期內的幀數(或角度 數)，α為幀相關係數，對於具體某一幀圖像而言，其所有像素的幀相關係數可以使用同一個值，也可以為每個像素計算不同的係數。上述提到幀相關係數α是關於一個或多個變量的函數，該函數可以有多種表現 形式，比如取部分反向比例函數，指數函數等等。以下將逐個列舉幀相關係數的計算公式。第一種形式，在幀相關係數計算時採用以e為底、指數取負的指數函數，其指數絕 對值取當前幀率與偏轉周期內幀數之商的倒數，a =k=l』2,3，...(2)其中，FR為幀率，C為常數，N為當前複合模式下的角度數，即一個偏轉周期內的幀 數，這個角度數由空間複合成像控制器的檔位決定。第二種形式，函數形式為當前幀率與偏轉周期內幀數之商與一之和的倒數 第三種形式，在幀相關係數計算時採用以e為底、指數取負的指數函數，其指數絕 對值取兩幀組件圖像像素均值之差的絕對值加上兩幀組件圖像像素均值的平均值， 其中，^表示均值，C為常數，N為當前複合模式下的角度數，這個角度數由空間復 合成像控制器的檔位決定，x( -kN)表示第n-kN幀圖像中像素的亮度均值，@表示第η 幀圖像中像素的亮度均值。第四種形式，幀相關係數的計算公式為
(6)其中，C為常數，N為當前複合模式下的角度數，這個角度數由空間複合成像控制 器的檔位決定。x(i，j，η)表示第η幀圖像中(i，j)點處像素的亮度值，η或者n-kN表示 該像素點所位於的偏轉周期，T表示亮度閾值，只有大於該值的亮度才參與計算運動變量 Motion, S表示一個亮度的控制參數，通常，S ^ 0,0 ^ T ^Max, Max為像素亮度最大值， 8bit圖像為255。為了提高系統實時性，可以採用固定係數的方式計算幀相關係數，比如上述第一、 第二、第三形式，其中前兩種形式採用當前幀率FR計算α ；當然固定的幀相關係數的計算 方式不限於上述三種公式，可以是其他形式的函數。除了採用固定係數的幀相關方式，也 可以採用非固定係數的幀相關，對幀內每個像素點進行幀相關處理時採用不同的幀相關係 數，比如上述第四種形式，為不同的點計算不同的幀相關係數，對不同運動程度的點可以進 行不同程度的幀相關處理。第三、空間複合處理在對圖像做完同角度幀相關處理後，將處理結果轉入空間複合處理模塊進行處 理，首先與該角度的上次幀相關結果去做差分，並將差分圖像與上次空間複合結果去進行 空間複合得到本次的空間複合結果。這樣每有一幀做過同角度幀相關的圖像，就在空間複合處理模塊中處理出一幀複合圖像。這裡的空間複合處理過程並不是唯一的，還可以採用 其他空間複合處理方式。基於上述方法，本發明為了在成像系統上實現上述功能，還需要進行如下改進。 如圖4所示，通常空間複合成像系統，包括以下幾個部分探頭100、接收波束合成 器120、發射波束合成器140、數字掃描變換器160、顯示器170、空間複合成像控制器180，空 間複合圖像處理器150、B信號預處理器130。圖4中空間複合成像控制器180根據實際應 用的需要確定掃描偏轉的角度大小和組件圖像的數目，並通過控制發射和接收的延時聚焦 參數，實現控制發射和接收掃描波束的偏轉。接收到的信號經過動態濾波有效提取出回波 中有效的頻率分量，提高回波信號的信噪比，然後提取出回波信號的包絡信息。提取出的包 絡信號經過對數壓縮等處理後，產生不同偏轉角度的組件圖像，用於後續空間複合的處理。本發明在此基礎上增加了同角度幀相關處理器200和幀相關計算器190，同角度 幀相關處理器200用於接收B信號預處理器130輸出的組件圖像，並將具有相同偏轉角度 的組件圖像進行幀相關處理，以及將幀相關處理後的結果輸入至空間複合圖像處理器150 中；幀相關係數計算器190，用於根據空間複合成像控制器180的相關參數計算幀相關處理 時的幀相關係數，並將結果輸入至所述同角度幀相關處理器200。這樣可以消除噪聲的影 響，產生信噪比更高的組件圖像，繼而與內存中存儲的組件圖像進行複合圖像處理產生空 間複合的圖像。複合圖像經過數字掃描轉換(DSC)後送到顯示器進行顯示。如圖5所示，同角度幀相關處理器200包括結果存儲器202，用於存儲所述幀相 關處理後的結果圖像；角度分選器201，用於根據接收的當前組件圖像的偏轉角度，在所述 結果存儲器中，查找具有相同偏轉角度的幀相關處理後的結果圖像；幀相關計算器203，用 於根據所述角度分選器查找到的結果圖像和當前組件圖像進行幀相關處理，獲得幀相關處 理後的結果圖像。從圖5給出的同角度幀相關處理器結構框圖可以看出，對輸入的每幀組件圖像進 行同角度幀相關處理的具體實現步驟如下(1)在啟動幀相關的初始化階段，設置幀相關計算所需的參數(如常係數C、圖像 寬高、系統幀率FR)，將這些參數存儲到存儲器中，並初始化用於存儲所有中間值和幀相關 後的結果圖像的結果存儲器202。(2)根據上述幀相關係數α的計算公式，利用前述存儲的參數計算出複合模式下 的幀相關係數。(3)利用角度分選器201，得到當前幀圖像對應的偏轉角度。(4)根據當前幀組件圖相對應的偏轉角度，從存儲器中讀取上一幀或者其他幀同 角度組件圖像幀相關後的結果圖像，利用得到的幀相關係數，將結果圖像與新採集的圖像 按照幀相關公式加權求和，獲得當前組件圖像幀相關後的結果圖像，並用當前組件圖像幀 相關後的結果圖像替換結果存儲器中上一幀同角度組件圖像幀相關後的結果圖像，以備下 次處理使用。如圖2和圖3所示，其給出了空間複合過程的示意圖。圖1和圖2為一幀空間復 合的過程，圖1為複合前的圖像組件形態，圖2為複合後的圖像組件形態。其中圖1及圖2 中的C(I)為未偏轉的圖像組件，圖1中C(0，0)與C(0，2)分別為向左偏轉與向右偏轉N度 的圖像組件，為了使複合疊加的圖像為未偏轉圖像組件的尺寸大小，需要對圖1中C(0，0)和C(0，2)進行剪裁，剪裁後的效果為圖2中的C(O)和C(2)圖像，然後對圖2中的C(O)、 C(I)和C(2)組件圖像進行疊加後得到圖2中Co複合圖像。圖3為連續多幀組件圖像做空 間複合的過程。由於不同角度組件圖像的產生過程為周期性的，因此相鄰的M(不同掃描角 度組件圖像個數)個組件圖像均為不同掃描角度的組件圖像，因此也可以對這M個組件圖 像進行空間複合處理，於是連續的空間複合處理就是每次新加入一幀角度為Y的新掃描的 組件圖像，去除一幀角度為Y的先前掃描的組件圖像的M個不同角度組件圖像複合處理的 過程。可見，本發明在現有的圖像複合處理的過程之前增加幀相關處理過程，則可以避免現 有技術的缺陷，根據空間複合檔位、 幀相關檔位、幀率等信息實時計算幀相關係數，進行幀 相關處理，有利於幀相關處理與空間複合的有效結合，提高圖像的顯示質量。
上述各具體步驟的舉例說明較為具體，並不能因此而認為是對本發明的專利保護 範圍的限制，本發明的專利保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
一種空間複合成像中的幀相關處理方法，其特徵在於，包括A、將具有相同偏轉角度的組件圖像進行幀相關處理；B、利用所述幀相關處理後的組件圖像進行空間複合處理，生成複合圖像。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A包括 接收當前組件圖像，得到當前組件圖像對應的偏轉角度；根據當前組件圖像，查找相同偏轉角度對應的幀相關處理後的組件圖像； 計算幀相關係數；利用計算獲得的幀相關係數，將當前組件圖像與查找到的組件圖像進行加權求和，獲 得幀相關處理後的組件圖像。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述幀相關係數是關於一變量的函數。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述函數為以e為底、指數取負的指數函數。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述變量至少包括幀率、偏轉周期內的 幀數、組件圖像像素亮度均值、用於幀相關處理的組件圖像同一位置像素的差、組件圖像同 一位置的像素亮度值之一。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，若採用相同的幀相關係數進行兩幀組件 圖像的加權求和，則所述指數函數的指數絕對值為當前幀率與偏轉周期內幀數之商的倒 數，兩幀組件圖像像素亮度均值之差的絕對值加上兩幀組件圖像像素亮度均值的平均值， 其中之一。
7.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，若針對幀組件圖像每一個像素進行幀相 關處理的加權求和時採用不同的幀相關係數，則所述指數函數的指數絕對值Motion(i，j) 為 其中，S表示一個亮度的控制參數，N為偏轉周期內的幀數，x(i，j，n)表示第n幀圖像 中(i，j)點處像素的亮度值，T表示亮度閾值，n或者n-kN表示該像素點所位於的偏轉周期。
8.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，若採用相同的幀相關係數進行兩幀組件 圖像的加權求和，則所述函數為當前幀率與偏轉周期內幀數之商與一之和的倒數。
9.一種空間複合成像系統，包括空間複合成像控制器、空間複合圖像處理器和B信號 預處理器，其特徵在於，還包括同角度幀相關處理器，用於接收所述B信號預處理器輸出的組件圖像，並將具有相同 偏轉角度的組件圖像進行幀相關處理，以及將幀相關處理後的結果輸入至所述空間複合圖 像處理器中；幀相關係數計算器，用於根據空間複合成像控制器的相關參數計算幀相關處理時的幀 相關係數，並將結果輸入至所述同角度幀相關處理器。
10.根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述同角度幀相關處理器包括 結果存儲器，用於存儲所述幀相關處理後的結果圖像；角度分選器，用於根據接收的當前組件圖像的偏轉角度，在所述結果存儲器中，查找具有相同偏轉角度的幀相關處理後的結果圖像；幀相關計算器，用於根據所述角度分選器查找到的結果圖像和當前組件圖像進行幀相 關處理，獲得幀相關處理後的結果圖像。
全文摘要
本發明公開了一種空間複合成像中的幀相關處理方法及系統，其系統包括同角度幀相關處理器，用於接收所述B信號預處理器輸出的組件圖像，並將具有相同偏轉角度的組件圖像進行幀相關處理，以及將幀相關處理後的結果輸入至所述空間複合圖像處理器中；幀相關係數計算器，用於根據空間複合成像控制器的相關參數計算幀相關處理時的幀相關係數，並將結果輸入至所述同角度幀相關處理器。本發明針對單純的應用空間複合結合幀相關的圖像處理方法的不足，將幀相關處理置於空間複合之前，並採用同角度幀相關處理，使得在空間複合之前就預先對不同角度的信息進行同等程度地去噪處理，然後再疊加到一起，避免圖像信息混亂，同時也不會導致圖像的不同區域出現明顯的邊界。
文檔編號G06T5/00GK101866480SQ20091010683
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優先權日2009年4月15日
發明者張羽, 桑茂棟, 王勇, 項崢 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司