[论文解读] Estimating Phase Aberration from Noisy Radiofrequency Data of a single frame of Synthetic Aperture Ultrasound Image

Dena Monjazebi, Yuan Xu|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Ultrasound Imaging and Elastography参考文献 30被引用 5

一句话总结

本文提出一种迭代滤波归一化互相关（f-NCC）方法，用于从单帧合成发射孔径（STA）超声图像中的低信噪比（SNR）射频（RF）数据估计相位畸变。通过应用二维孔径-时间域滤波、在发射和接收过程中进行相位畸变建模的迭代延迟估计，以及通过迭代零填充实现的边缘效应校正，该方法即使在噪声较大的斑点区域也能显著提高相位畸变估计的准确性，从而在仿真和实验中均提升了图像对比度、分辨率和信噪比。

ABSTRACT

Phase aberration is one of the main contributors to image degradation in ultrasound imaging. Normalized-Cross-Correlation (NCC) is one of the most extensively studied techniques to estimate the arrival delay error and the aberration profile. extit{However, the performance of NCC can be compromised when the data have a poor signal-to-noise-ratio.} Here we propose an iterative filtered NCC (f-NCC) method to estimate phase aberration in speckle regions from the noisy radio-frequency data of a single frame of synthetic transmit aperture (STA) image. First, two-dimensional filters were applied in the aperture and temporal domains to suppress noise and off-axis signals in the transmit beamformed data from an arbitrary speckle region. Second, an iterative method that included the phase aberration in both the transmission and receiving process was used to estimate the phase aberration. Third, the estimation were improved by correcting the edge effect with an iterative zero-padding technique. Last, in the experimental study, we proposed and validated a formula to estimate the arrival time error caused by a sound speed error. The results from both the numerical simulations and experimental studies confirm that the proposed filtered NCC method can estimate the phase aberration profile correctly from noisy STA RF data in a speckle region. Image quality in terms of contrast, resolution and image signal-to-noise-ratio was improved. Potential applications of the proposed method to map local speed of samples are also discussed.

研究动机与目标

• 解决在肥胖或乳腺成像中因信号退化常见而引起的低SNR超声RF数据中相位畸变估计不准确的挑战。
• 通过在孔径域和时间域整合空间与时间滤波，提升归一化互相关（NCC）在噪声条件下的性能。
• 通过迭代零填充技术减少傅里叶变换中因周期性信号假设导致的边缘伪影。
• 在数值仿真和实验数据上验证该方法，证明其在噪声斑点区域的鲁棒性。
• 通过推导声速失配引起的延迟误差的理论公式，实现精确的局部声速映射。

提出的方法

• 在孔径域和时间域应用二维低通滤波，以抑制来自斑点区域的发射束形成RF数据中的噪声和旁瓣信号。
• 实施一种迭代f-NCC算法，对发射和接收过程中的相位畸变进行建模，以优化延迟估计。
• 采用迭代零填充技术，减轻在应用傅里叶变换时因信号不连续性引起的边缘效应。
• 将估计的相位畸变剖面整合到波束成形过程中，以补偿波前畸变。
• 推导出由于声速失配引起的延迟误差的理论公式，同时考虑直接速度误差和焦点偏移的影响。
• 使用具有已知畸变剖面的仿真数据和超声体模的实验数据对方法进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 f-NCC方法能否在单帧合成发射孔径（STA）超声图像的低SNR RF数据中准确估计相位畸变？
• RQ2 二维孔径-时间域滤波在噪声斑点区域中如何提升基于NCC的延迟估计的鲁棒性？
• RQ3 迭代零填充在多大程度上减少了相位畸变估计中的边缘相关伪影？
• RQ4 该方法在低SNR条件下如何提升图像质量指标（如对比度、分辨率和信噪比）？
• RQ5 所推导的理论公式能否准确预测超声成像中因声速失配引起的延迟误差？

主要发现

• f-NCC方法成功从噪声STA RF数据中估计了斑点区域的相位畸变剖面，在低SNR条件下优于标准NCC。
• 图像质量显著提升，经畸变校正后，对比度、侧向分辨率和信噪比（SNR）均得到增强。
• 迭代零填充技术有效减少了延迟估计中的边缘伪影，尤其在前10个和最后10个换能器元件处效果明显。
• 理论分析证实，声速失配引起的总延迟误差与δtc(1 + cosθi)成正比，其中δtc代表速度误差和焦点偏移的综合影响。
• 该方法在2–3次迭代内即实现收敛，表明其计算效率高且稳定性强。
• 该方法为实现局部声速映射提供了可能，为在肥胖患者等复杂成像场景中实现临床应用提供了可行路径。