[论文解读] Far-field compressive ultrasound beamforming

Nikunj Khetan, Jerome Mertz|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2026

Ultrasound Imaging and Elastography被引用 0

一句话总结

论文提出 KK 波束成形，是一种基于远场平面波的紧凑型 CPWC 超声成像方法，将数据重新整理为 k 空间，在保持与传统 CPWC DAS 相当的图像质量的同时实现显著的 RF 数据压缩（约一个数量级）。

ABSTRACT

We present a compressive beamforming method for coherent plane-wave compounding (CPWC) ultrasound imaging based on a far-field decomposition of the received radiofrequency (RF) data into virtual plane waves. This decomposition recasts the imaging operation entirely in the spatial frequency domain ($k$-space), allowing direct and flexible control over $k$-space sampling distributions based on the principle of coarrays. We present vernier-type sampling strategies designed to optimize the tradeoff between image contrast and resolution with minimum redundancy, including strategies that favor dense low-frequency sampling for high contrast, shifted schemes that extend the frequency support for improved resolution, and confocal or hybrid compounding schemes that approximate the spatial-frequency transfer function of conventional DAS beamforming. Our method, called KK beamforming, is validated with a calibration phantom and in-vivo human tissue data, demonstrating compression factors of an order of magnitude while maintaining image qualities comparable to conventional DAS. We further demonstrate that KK beamforming yields improvements in computational speed owing to its reduced memory footprint and more efficient cache utilization of the compressed data and associated look-up tables.

研究动机与目标

• 通过降低 CPWC 数据需求来提升数据高效的超声成像，同时不牺牲图像质量。
• 开发面向 CPWC 的 RF 数据的远场、基于 k 空间的分解，以实现通过共阵列可控的采样。
• 提出 Vernier 型与共焦采样策略，在压缩下平衡对比度与分辨率。
• 引入 KK 波束成形并在 phantom 及体内数据上演示最高达一个数量级的压缩因子。

提出的方法

• 通过时间剪切与求和操作将 RF 数据重新编码到空间频域，得到 RF_theta（由 RF_u 推导，方程 (Eq. 3)）。
• 在完全远场、平面波发射/接收模型下形成 KK 波束成形；基于 s_i 和 s_o 的延迟计算 B_KK（方程 (Eq. 5)）。
• 通过可选的接收角 theta_o 和发射角 theta_i 控制 k 空间采样，以实现 Vernier 型、平移型或共焦采样（方程 (Eq. 6, 9)）。
• 可对 KK 图像进行相干或非相干合成，以在对比度和分辨率之间进行权衡（方程 (Eq. 7–8)）。
• 使用三角/分层查找表和基于 FFT 的处理来减小内存与计算负担；将性能与传统 CPWC DAS 进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 KK 波束成形是否能够在不显著降低图像质量的前提下实现对 CPWC 的显著 RF 数据压缩？
• RQ2 在 k 空间中控制发射/接收角度采样如何影响图像对比度与分辨率？
• RQ3 在压缩条件下，相干、非相干与混合 KK 叠加在图像质量与数据压缩方面的权衡是什么？

主要发现

• KK 波束成形在保持与传统 CPWC DAS 相近的图像质量的同时实现了高达一个数量级的 RF 数据压缩因子。
• 不同的 k 空间采样方案（vernier 型、平移型、共焦型）提供对比度与分辨率之间的可调权衡。
• 混合相干/非相干叠加在压缩条件下可获得更好的对比度，在某些指标（gCNR）有潜在优于 DAS 的表现。
• 在体内与带有 GE9LD 线阵的 phantom 实验中，KK 仍能在显著 RF 数据减少的情况下维持图像质量。
• KK 波束成形由于数据压缩与高效 LUT 使用，具备更快的处理速度与更小的内存占用。