基于欧氏距离变换的高帧率高对比度超声平面波复合成像技术研究

为解决超声平面波复合成像(CPWC)在减少发射角度时因旁瓣、栅瓣和伪影导致的图像对比度下降问题，研究人员提出了一种基于欧氏距离变换(EDT)的空间加权滤波方法。该技术通过强调"轴上"信号并抑制"轴外"噪声，在仅使用15次发射时实现了5倍帧率提升，同时将广义对比噪声比(gCNR)稳定维持在0.88以上。这项发表于《Ultrasonics》的研究为超声弹性成像(USWE)和超声定位显微镜(ULM)等高速成像应用提供了重要技术支撑。

　　

在医学影像诊断领域，超声成像因其无辐射、实时性好等优势成为不可或缺的检查手段。然而传统超声技术始终面临一个"鱼与熊掌"的难题：想要获得高分辨率图像就需要增加扫描线数量，但这会显著降低成像帧率；而采用平面波成像(PWI)虽然能实现kHz级帧率，却又会因非聚焦发射导致图像质量下降。这种矛盾在需要高速成像的应用场景——如监测心脏搏动、观察血流动力学或进行弹性成像时尤为突出。

为解决这一难题，研究人员创新性地将计算机视觉中的欧氏距离变换(EDT)引入超声成像领域。这项技术的关键突破在于：通过距离变换构建角度自适应的空间滤波器，在信号合成前有效抑制了导致图像质量下降的三大"元凶"——旁瓣(sidelobes)、栅瓣(grating lobes)和伪影(ghost artifacts)。就像给超声图像装上了智能"降噪耳机"，能自动识别并增强有效信号，同时过滤干扰噪声。

研究团队采用多角度验证策略，首先在模拟点扩散函数(PSF)上优化关键参数α，确定0.001为最佳阈值。随后使用国际通用的PICMUS数据库进行全面测试，包含模拟点目标、仿体囊肿和活体颈动脉三类数据。技术方法上主要采用：1)延迟叠加(DAS)波束成形；2)基于阈值的二值化处理；3)欧氏距离变换映射；4)角度加权复合成像。特别运用Field II和USTB工具箱进行声场模拟，所有实验均保持与PICMUS相同的128阵元探头参数(f_c=5.208MHz，间距300μm)。

模拟点目标研究显示，新方法将横向分辨率从0.57±0.08mm提升至0.52±0.07mm，轴向分辨率从0.41±0.01mm提升至0.35±0.02mm。值得注意的是，即使在仅用15次发射(相比传统75次)的情况下，分辨率仍优于常规CPWC，实现了"既省又快又好"的效果。

仿体囊肿实验中，在15次发射时获得37.2dB的对比度(CR)，比同条件下CPWC提高13.5dB。广义对比噪声比(gCNR)始终保持在0.97以上，表明囊肿检出率不受发射次数减少影响。当模拟-21dB至+9dB不同信噪比环境时，新方法的gCNR稳定在0.88以上，而传统CPWC的gCNR会从0.89骤降至0.37。

活体颈动脉成像验证了临床适用性，19.5dB的CR和0.69的gCNR(15次发射)已接近传统CPWC使用75次发射的水平(20.7dB，0.68)。对比相干因子(CF)和广义相干因子(GCF)等方法，新技术在保持组织结构完整性方面表现突出，不会产生边缘信息丢失或背景过度平滑的问题。

这项研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，通过EDT变换实现了信号空间的智能分区处理，突破了传统加权方法的局限性；其次，5倍帧率提升使超声弹性成像等应用能捕捉更快速的生物力学变化；最后，提出的方法计算效率高，在普通工作站(Intel i7-8700K)处理单帧仅需35.72秒(15次发射)，相比传统方法仅增加0.8%耗时，具有临床转化潜力。

未来研究可进一步探索自适应阈值算法，解决深度衰减带来的信噪比下降问题。如作者所示，在42mm深度处α值会出现波动，提示局部优化的重要性。此外，如何平衡斑点模式保留与伪影抑制的关系，也是值得深入的方向。这项发表于《Ultrasonics》的工作，为医学超声成像领域提供了一种兼顾质量与效率的新型解决方案。