多探头相干超声成像中滤波延迟乘加波束形成的特异性优化研究

《Ultrasonics》：Specific Filtered Delay Multiply and Sum beamforming for coherent multi-transducer ultrasound imaging

本研究针对多探头相干超声成像(CoMTUS)中因大孔径不连续导致的旁瓣和伪影问题，创新性地提出滤波延迟乘加(F-DMAS)波束形成算法。通过仿真和活体实验验证，该方案使首旁瓣振幅降低11.7dB，旁瓣主瓣能量比降低7.4dB，显著提升图像对比度和分辨率，为扩展视野超声诊断提供新方法。

　　

超声成像技术正面临诊断视野与分辨率难以兼得的困境。传统单探头系统受物理尺寸限制，难以同时实现大视野和高分辨率成像。多探头相干超声成像(Coherent Multi-Transducer Ultrasound, CoMTUS)通过将多个阵列组合成超大有效孔径，虽扩展了视野，却因孔径不连续产生严重旁瓣和交叉干扰伪影，导致经典延迟求和(Delay and Sum, DAS)算法成像对比度下降。

为解决这一难题，来自英国伦敦国王学院(King's College London)生物医学工程中心的研究团队创新性地将滤波延迟乘加(Filtered Delay Multiply and Sum, F-DMAS)算法引入CoMTUS系统。这项发表在《Ultrasonics》的研究通过计算机仿真和双阵列实验验证，证明该方案能显著抑制旁瓣并降低噪声基底，使首旁瓣振幅从-13.0dB降至-24.7dB，旁瓣主瓣能量比从9.3dB降至1.9dB。

研究采用三项关键技术：1）基于Field II的数值模拟平台构建双线性阵列CoMTUS系统模型；2）预复合(pre-compound) F-DMAS算法，在通道乘法步骤前完成跨阵列信号合成；3）活体胆囊扫描实验验证临床适用性。通过对比发射端(Tx)、接收端(Rx)和预复合(PC)三种F-DMAS实现方案，最终确定PC方案最优。

【2.1 CoMTUS系统几何结构】
研究采用两个144阵元线性阵列构成V型探头结构，通过交替发射平面波(PW)实现相干合成。全局坐标系分析显示，15mm探头间距时有效孔径不连续处产生明显旁瓣，而F-DMAS通过信号互相关运算填补了k空间缺口。

【2.2 特异性F-DMAS算法】
创新性地在延迟信号合成阶段引入跨阵列耦合，通过符号保持的几何均值运算生成二次谐波。数学推导证明该方案计算效率较传统组合提升50%，其代数表达式为y_DMAS=(∑?_n)²/2-∑|S_n|。

【3.1.1 点目标仿真】
在70mm深度目标测试中，PC-FDMAS使首旁瓣降至-24.8dB，优于Tx(-14.6dB)和Rx(-15.4dB)方案。k空间分析显示F-DMAS成功填补了DAS存在的3个分离频带。

【3.1.3 组织仿体】
含10mm无回声囊肿的仿体实验显示，F-DMAS的广义对比噪声比(gCNR)达0.95，较DAS提升4%。轴向切片证实-20dB旁瓣被有效抑制。

【3.2.2 活体实验】
胆囊扫描中F-DMAS图像动态范围扩展10dB，解剖结构边缘清晰度显著提升。定量分析显示其gCNR从DAS的0.30提升至0.34。

该研究突破性地解决了多探头系统旁瓣干扰的行业难题，其创新点在于：1）首次实现跨阵列信号的非线性相干合成；2）通过谐波生成机制填补k空间缺口；3）验证算法对探头定位误差的鲁棒性。值得注意的是，F-DMAS使15mm间距系统的成像质量达到30mm间距DAS系统的水平，这意味着临床应用中可减少50%的探头体积而保持成像质量。未来该技术有望推动矩阵阵列3D成像发展，并为实时多探头超声系统提供核心算法支持。