SCORE波束成形：用于高对比度超快多普勒成像的频谱相干性优化技术

《Ultrasonics》：SCORE beamforming: Spectral COherence REfinement for high-contrast ultrafast Doppler imaging

　　摘要：延迟求和（DAS）波束成形因其计算简单性而在超声流成像中得到广泛应用；然而，其较高的旁瓣水平显著降低了图像对比度。相干因子（CF）波束成形通过强调空间相干性部分缓解了这一限制，但仍然存在残余的非相干能量，继续影响图像质量。在这项研究中，我们提出了一种双阶段波束成形方法，该方法将CF加权与频率域滤波阶段相结合，旨在区分和抑制非相干能量，同时保留相干信号成分。所提出的方法称为SCORE（Spectral COherence REfinement），在传统的CF波束成形基础上引入了额外的基于相干的区分机制。涉及单目标、多目标和血管场景的仿真实验表明，SCORE在保持信号完整性的同时实现了显著的旁瓣抑制。使用开源的增强对比度的大鼠大脑和肾脏数据集以及无对比度的人体脾脏进行的体内验证进一步证实了流动检测能力、背景噪声的降低以及功率多普勒成像性能的提高，信噪比（SNR）和对比度噪声比（CNR）相比CF和GCF波束成形提高了约10 dB。总体而言，SCORE波束成形器为高对比度血管超声成像提供了一个稳健的框架，相对于DAS、CF和GCF具有更好的旁瓣和噪声抑制效果。为了提高计算效率，波束成形流程在图形处理单元（GPU）上实现了优化后的CUDA框架，实现了每帧处理时间低于30 ms的实时波束成形性能。

引言：血管成像在多种模式下的许多病理学的诊断和监测中起着核心作用，包括动脉粥样硬化、癌症和炎症性疾病等。非侵入性地可视化大血管和微血管网络中的血流提供了关于组织灌注和疾病进展的关键信息。在可用的模式中，超声因其实时能力、成本效益和安全性而具有吸引力。然而，传统的超声成像方法在临床实践中存在重要的局限性，这些局限性妨碍了其敏感性和稳健性。传统的功率多普勒成像虽然广泛使用，但对慢速流动和小血管的敏感度较差，且容易受到噪声和运动伪影的影响。另一方面，聚焦超声采集虽然提供更高的图像质量，但需要逐行顺序扫描，导致采集时间较长，时间分辨率降低。这些限制限制了捕获动态血管事件的能力，并限制了超声在低速度流动成像中的诊断潜力。平面波传输和相干复合技术的引入通过实现超快成像极大地改变了该领域。超快功率多普勒可以每秒处理数千帧，提高了对微血管流的敏感度，允许以前所未有的细节研究动态血管过程。改进的方向之一集中在发射设计上，特别是引入了编码激励技术，以在保持超快成像所需的高帧率的同时提高信噪比。通过在传输更长的编码序列后应用不匹配的滤波，这些方法在不牺牲时间分辨率的情况下提高了流动检测能力。在后处理阶段，开发了噪声均衡、非局部均值滤波、基于Hessian的血管滤波器和形态学滤波器等技术来改善图像均匀性并抑制噪声。这些技术补偿了噪声分布的空间变化，并利用局部图像冗余来提高血管敏感性，特别是在低信噪比的情况下。同时，大量工作致力于杂散滤波，这仍然是超快多普勒的一个主要瓶颈。奇异值分解（SVD）滤波已成为通过利用时空相干性的差异来分离血液信号和组织运动的标准方法。更先进的变体，如主成分分析（PCA）变体，在复杂组织运动或强背景杂散存在的情况下进一步改善了分离效果。最后，在波束成形层面，通过根据信号的空间相干性对其进行加权来提高灵敏度。尽管延迟求和（DAS）波束成形器的简单性和效率很高，但高旁瓣水平可能会掩盖微血管结构。最早的解决超快功率多普勒波束成形问题的方法之一是短延迟角度相干性。还研究了自适应方法，如最小方差无失真响应（MVDR）波束成形器，它在提高噪声抑制和分辨率的同时增加了计算复杂性，但显示出对噪声非常敏感。相干因子（CF）波束成形器强调相干波前，同时抑制非相干成分，提高了多普勒成像中的血管对比度。因此，CF提供了基于像素的空间相干性加权。提出了几种扩展方法来提高CF性能，如广义CF和归一化自相关因子（NAF），这些方法减少了计算负担。其他方法结合了空间和角度相干性。通过广义相干因子（GCF）引入了相干性的光谱表述，其中对应于相干和非相干信号的光谱成分被差异化加权。然而，所有这些方法都是基于增强相干成分而不是完全抑制它。尽管如此，残余的非相干能量仍然存在，并降低了血管检测的敏感性和特异性。在这项工作中，我们提出了一种SCORE（Spectral COherence REfinement）波束成形器，它结合了基于CF加权的“增强阶段”和通过频率域光谱细化实现的“区分阶段”。与主要强调相干信号成分的传统基于相干的波束成形器不同，所提出的方法明确抑制了延迟孔径域波前的非相干光谱能量。通过在标准化空间-频率域中操作，SCORE选择性地保留了高度相干成分，同时大幅抑制了非相干光谱能量和背景噪声贡献。理论上，相干能量集中在零空间频率附近，而非相干成分在空间-频率谱中广泛分布，从而实现了相干和非相干孔径域贡献之间的选择性频率域区分。这个额外的光谱区分阶段实现了改进的旁瓣抑制、增强的血管对比度以及在通道信噪比下降条件下的更高稳健性。所提出方法的性能通过仿真以及增强对比度和无对比度的体内实验得到了验证，展示了其在先进血管成像应用中的潜力，包括超快多普勒成像和超声定位显微镜。

本文的其余部分组织如下：第II节（方法）介绍了DAS和CF波束成形器，随后介绍了提出的SCORE框架、计算复杂性分析、仿真和实验设置、信号处理流程以及GPU加速策略。第III节（结果）展示了实验结果，包括单目标和三目标仿真、不同信道噪声条件下的血管仿真、囊泡实验、增强对比度的大鼠大脑和肾脏实验、无对比度的人体脾脏成像，以及与NSI的比较。第IV节（讨论）和第V节（结论）分别提出了讨论和结论。

传统符号说明：为了简化，以下分析仅考虑单个平面波（θ=0°），扩展到相干复合是直接的。DAS波束成形图像可以表示为：
yDASx,z=∑n=1NSn(t)Snt=an?S^n(t)
S^n(t)是第n个通道的延迟信号（1≤n≤N），an是第n个通道的接收衰减权重。

空间相干性是相干能量与总能量的比率。它确实“增强了”相干成分，但并没有完全去除非相干能量。

点扩散函数（PSF）分析：图3展示了使用单点目标获得的点扩散函数（PSF）分析。该实验表征了每个波束成形器的固有空间分辨率、旁瓣行为和光栅瓣抑制能力。传统的DAS波束成形器产生了相对较宽的主瓣（大约160 μm横向），但显示出了接近-20 dB的升高旁瓣水平，这可能会掩盖弱散射体并降低图像对比度。相比之下，CF、GCF等波束成形器在抑制旁瓣方面表现更好。

讨论：DAS波束成形由于其简单性和计算效率，在超声流成像中仍然是最广泛使用的方法。然而，DAS重建受到高旁瓣水平的限制，这降低了图像对比度并掩盖了弱散射体。为了解决这些限制，提出了更先进的波束成形策略，其中CF波束成形器是最突出的之一。CF通过计算相干能量与总接收能量之比来估计空间相干性。

结论：本研究提出了一种双阶段波束成形策略，它结合了CF加权和频率域区分来抑制残余的非相干能量，同时保留相干信号成分。仿真研究和体内验证表明，在旁瓣抑制、噪声减少和微泡检测能力方面与DAS、GCF和CF波束成形器相比有显著改进。此外，优化的GPU实现实现了实时波束成形性能。

作者贡献声明：Nizar Guezzi负责写作——原始草稿、可视化、软件、方法论、形式分析；Sangheon Lee负责软件、方法论；Sangwoo Nam负责方法论；Youngho Seo负责软件；Myeongchan Kim负责方法论；Kisang Eom负责形式分析；Jungho Hyun负责资金获取；Jaesok Yu负责写作——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

关于生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明：在准备本手稿期间，作者使用了OpenAI ChatGPT来协助完善文本并提高文档的清晰度。使用该工具生成的所有内容随后都经过了作者的审查、编辑和验证，作者对最终版本的出版物负全责。

关于利益冲突的声明：作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢：本研究得到了信息与通信技术规划与评估研究所（IITP）的资助（由韩国政府（MSIT）资助，编号RS-2026-25586094）、韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）资助，编号RS-2026-25611334）、韩国国家研究基金会（NRF）下的基础科学研究计划（由教育部资助，编号RS-2025-25420118）以及科学技术信息通信部（ICT）的DGIST研发计划（25-DRJoint-02）的支持。

Nizar Guezzi | Sangheon Lee | Sangwoo Nam | Youngho Seo | Myeongchan Kim | Kisang Eom | Jungho Hyun | Jaesok Yu
韩国大邱DGIST机器人与机电工程系，42988