[论文解读] Sparse Doppler Sensing.

Regev Cohen, Yonina C. Eldar|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Advanced MRI Techniques and Applications被引用 1

一句话总结

本文提出一种基于嵌套阵列的非均匀慢时间发射方案，可在减少频谱多普勒超声中多普勒脉冲发射的同时，实现完美谱重建且发射次数最少。通过释放原本用于B型成像的采集时间，实现高帧率双模成像，采用两种谱恢复方法：基于FFT的方法和连续非网格化恢复方法。

ABSTRACT

Spectral Doppler ultrasound imaging allows visualizing blood flow by estimating its velocity distribution over time. Duplex ultrasound is a modality in which an ultrasound system is used for displaying simultaneously both B-mode images and spectral Doppler data. In B-mode imaging short wide-band pulses are used to achieve sufficient spatial resolution in the images. In contrast, for Doppler imaging, narrow-band pulses are preferred in order to attain increased spectral resolution. Thus, the acquisition time must be shared between the two sequences. In this work, we propose a non-uniform slow-time transmission scheme for spectral Doppler, based on nested arrays, which reduces the number of pulses needed for accurate spectrum recovery. We derive the minimal number of Doppler emissions needed, using this approach, for perfect reconstruction of the blood spectrum in a noise-free environment. Next, we provide two spectrum recovery techniques which achieve this minimal number. The first method performs efficient recovery based on the fast Fourier transform. The second allows for continuous recovery of the Doppler frequencies, thus avoiding off-grid error leakage, at the expense of increased complexity. The performance of the techniques is evaluated using realistic Field II simulations as well as in vivo measurements, producing accurate spectrograms of the blood velocities using a significant reduced number of transmissions. The time gained, where no Doppler pulses are sent, can be used to enable the display of both blood velocities and high quality B-mode images at a high frame rate.

研究动机与目标

• 通过减少多普勒脉冲发射次数，解决双模超声中B型与谱多普勒成像之间的权衡问题。
• 在无噪声环境下，最小化实现完美谱重建所需的多普勒发射次数。
• 通过释放采集过程中原本用于多普勒脉冲的时间，实现高帧率成像。
• 开发谱恢复技术，实现准确速度估计的理论最小发射次数。
• 通过真实的Field II仿真和体内测量评估性能，验证其临床可行性。

提出的方法

• 提出一种基于嵌套阵列几何结构的非均匀慢时间发射方案，以实现多普勒信号的稀疏采样。
• 推导在无噪声条件下实现完美谱重建所需的多普勒发射次数的理论最小值。
• 实现一种基于FFT的谱恢复方法，能从最少数量的非均匀脉冲中高效重建多普勒谱。
• 提出一种连续恢复技术，通过将多普勒频率建模为连续变量，避免离网格误差泄漏，从而在增加计算复杂度的代价下提升精度。
• 利用因减少多普勒发射而节省的时间，将更多时间分配给B型成像，实现高帧率的同步显示。
• 通过Field II仿真和体内超声数据验证该方法，评估谱准确性和成像性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无噪声环境下，实现血流速度谱完美重建所需的最少多普勒发射次数是多少？
• RQ2 基于嵌套阵列的非均匀发射方案能否在保持谱分辨率的同时实现该最小发射次数？
• RQ3 所提出的基于FFT的恢复方法与连续恢复方法在精度和计算复杂度方面有何对比？
• RQ4 因减少多普勒发射而节省的时间，能在多大程度上提升双模成像中B型成像的帧率？
• RQ5 在真实和体内超声环境中，该方法能否保持准确的谱图？

主要发现

• 所提出的基于嵌套阵列的非均匀慢时间发射方案，在无噪声条件下使用理论上最少的脉冲数，实现了完美的多普勒谱重建。
• 基于FFT的恢复方法能够以最少的发射次数高效重建谱，确保计算可行性。
• 连续恢复技术通过将多普勒频率建模为连续变量，避免了离网格误差泄漏，从而在增加复杂度的代价下提升了谱的准确性。
• Field II仿真和体内测量结果表明，与传统方法相比，该方法显著减少了多普勒发射次数，同时实现了准确的血流速度谱图。
• 因减少多普勒脉冲发射而节省的时间，使得高帧率B型成像成为可能，实现了B型与多普勒成像的高质量同步可视化。
• 通过将原本用于多普勒脉冲的时间重新分配给B型成像，该方法实现了高帧率双模成像，显著提升了临床成像性能。