[论文解读] Random Incident Waves for Fast Compressed Pulse-Echo Ultrasound Imaging

Martin F. Schiffner|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2017

Ultrasonics and Acoustic Wave Propagation参考文献 125被引用 5

一句话总结

本文提出随机入射波——通过随机孔径加权、随机时延或混合方案生成——以加速基于压缩感知的脉冲回波超声成像。通过增强回波信号间的相互非相干性，该方法提升了图像质量和收敛速度，在软组织成像中实现点扩散函数半高全宽减少73.7%、结构相似性提升60.5%。

ABSTRACT

Established image recovery methods in fast ultrasound imaging, e.g. delay-and-sum, trade the image quality for the high frame rate. Cutting-edge inverse scattering methods based on compressed sensing (CS) disrupt this tradeoff via a priori information. They iteratively recover a high-quality image from only a few sequential pulse-echo measurements or less echo signals, if (i) a known dictionary of structural building blocks represents the image almost sparsely, and (ii) their individual pulse echoes, which are predicted by a linear model, are sufficiently uncorrelated. The exclusive modeling of the incident waves as steered plane waves or cylindrical waves, however, has so far limited the convergence speed, the image quality, and the potential to meet condition (ii). Motivated by the benefits of randomness in CS, a novel method for the fast compressed acquisition and the subsequent recovery of images is proposed to overcome these limitations. It recovers the spatial compressibility fluctuations in weakly-scattering soft tissue structures, where an orthonormal basis meets condition (i), by a sparsity-promoting $\ell_{q}$-minimization method, $q \in [0; 1]$. A realistic $d$-dimensional model, $d \in \{2, 3\}$, accounting for diffraction, single monopole scattering, the combination of power-law absorption and dispersion, and the specifications of a planar transducer array, predicts the pulse echoes of the individual basis functions. Three innovative types of incident waves, whose syntheses leverage random apodization weights, time delays, or combinations thereof, aid in meeting condition (ii). In two-dimensional numerical simulations, single realizations of these waves outperform the prevalent quasi-plane wave for both the canonical and the Fourier bases. They significantly reduce the full extents at half maximum of the point spread functions by up to 73.7 %.

研究动机与目标

• 通过压缩感知技术缓解超快超声成像中帧率与图像质量之间的权衡。
• 克服传统定向平面波或柱面波的局限性，后者因回波去相关性差和收敛速度慢而受限。
• 在弱散射软组织中，利用稀疏性促进优化实现更快、更高质量的图像重建。
• 设计入射波形以最大化其与图像基函数之间的非相干性，满足压缩感知条件。
• 在数值模拟和体膜实验中证明随机波形相较于标准准平面波的优越性。

提出的方法

• 提出三种新型入射波类型：利用随机孔径加权、随机时延或两者结合，以激发介质。
• 采用d维（d=2或3）物理模型，包含 diffraction（衍射）、单极子散射、幂律吸收与色散，以及平面换能器阵列响应。
• 使用ℓq-最小化（q ∈ [0,1]）从稀疏回波测量中恢复压缩率波动，以在已知或正交基下促进稀疏性。
• 利用亥姆霍兹方程和自由空间格林函数对每个基函数的脉冲回波响应进行建模，确保物理准确性。
• 利用快速多极方法和GPU计算加速回波信号的模拟与重建。
• 在真实超声系统约束下，使用数值体膜和仿组织体膜验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的定向平面波相比，随机入射波能否显著提升回波信号的非相干性？
• RQ2 在基于压缩感知的超声成像中，随机波形在多大程度上提升了图像质量和收敛速度？
• RQ3 在去相关性和重建性能方面，不同类型的随机波设计（孔径加权、时延或混合）表现如何比较？
• RQ4 随机入射波对软组织成像中的结构相似性指数和均方根误差有何影响？
• RQ5 所提出的方法能否在少于传统方法测量数的前提下实现高质量图像重建，同时保持实时可行性？

主要发现

• 与准平面波相比，随机入射波将点扩散函数的半高全宽最大减少了73.7%。
• 在仿组织体膜中，当q = 0.5时，该方法将平均结构相似性指数提升最高达60.5%，并使相对均方根误差降低最高达55.5%。
• 在二维模拟中，单次随机波实现优于传统准平面波在标准基和傅里叶基中的表现。
• 在相对误差减少方面，当q = 1时收敛速度提升最高达44.1%，当q = 0.5时提升最高达55.5%。
• 与基线方法相比，该方法在图像质量度量上取得显著改进——结构相似性最高提升2.7%，相对误差降低最高达22.9%。
• 采用随机孔径加权和时延显著增强了回波信号间的相互非相干性，满足压缩感知成功的关键条件。