透射反射模态融合的超声层析成像方法技术

本发明专利技术涉及一种透射反射模态融合的超声层析成像方法，用于实现被测物场两相介质分布的重建和可视化表征，包含：接收时变超声信号；采用数字正交乘法解调对所获得的超声时变信号解调，得到正交解调结果；得到边界电压测量值，其对应的时间即为解调得到的渡越时间；计算离散相介质边界点距超声换能器的距离并构建超声反射约束方程；计算透射模态下超声换能器接收信号的幅值衰减；计算透射反射双模态图像重建结果。

【技术实现步骤摘要】
透射反射模态融合的超声层析成像方法
本专利技术属于超声层析成像
，涉及实现一种利用透射反射模态融合的超声层析成像方法，用于实现被测物场两相介质分布的重建和可视化表征。
技术介绍
超声层析成像技术(UltrasonicTomography,UT)是一种结构性成像技术，其通过在被测场域外布置超声传感器阵列并施加一定的激励以得到边界电压测量数据，以此来重建被测场域内部的折射系数、衰减系数或声阻抗分布情况。相比软场成像技术例如电阻抗层析成像(ElectricalImpedanceTomography,EIT)和电磁层析成像(MagneticImpedanceTomography,MIT)，UT具有非侵入、分辨率高的优点，相比精度较高的硬场成像技术如X射线层析成像(X-rayComputedTomography,X-CT)及光学层析成像方法(OpticalCoherenceTomography,OCT)，UT使用安全、结构简单、可以实现实时成像。此外UT还有着非接触、方向性好、成本低等优势，是一种较为理想的过程可视化检测监视手段。UT作为一种层析成像技术手段，在多相流可视化检测、化工石油输送、航空发动机探查以及生物医学诊断中均有广泛的应用。完整的UT系统主要包含三个部分：传感器阵列设计与换能器安装；信号激励、采集系统；超声成像重建算法。其中超声成像算法通过对从采集系统得到的换能器接收信号进行处理，通过解调提取测量幅值或渡越时间，得到某个确定激励下的全部换能器的有效测量数据，进一步通过图像重建方法得到被测物场两相介质分布的合理估计。目前，超声成像重建算法主要存在成像分辨率低、成像精度差、图像伪影严重等三个方面的问题。此外，作为一种主要利用硬场特性的成像方法，超声成像方法严重依赖于场域边界换能器的数量，其逆问题求解具有严重的病态性(对测量值得微小扰动会导致重建结果的大幅度变化)和欠定性(所需求解的方程数远小于未知量的数目，方程有无穷多解)。为克服这个问题，学者们提出了许多图像重建算法，超声层析成像图像重建方法根据其模态的不同主要分为透射法和反射法两类，其中透射法通过记录相对于发射探头的超声换能器接收到的电压信号实现渡越时间、衰减幅值的提取，进而实现被测物场两相介质分布的重建，反射法通过记录发射探头接收到的反射声波信号，通过提取对应渡越时间确定两相介质中离散相边界位置，通过提取渡越时间对应信号幅值确定边界声阻抗差异。在过去的研究中，透射法方面，典型的图像重建方法有徐立军等人1998年在《仪器仪表学报》(ChineseJournalofScientificInstrument)第17卷，1-7页，发表的题为《气液两相泡状流体监测用超声层析成像系统的研究》(InvestigationofUltrasoundTomographySystemusedforMonitoringBubblyGas/LiquidTwo-phasefluid)的文章中提到的二值反投影方法、Rahim等人在《传感器与执行器》(SensorsandActuators)第135卷，337-345页发表的题为《超声对液体、气体的非侵入性成像》(Non-invasiveimagingofliquid/gasflowusingultrasonictransmissionmodetomography)的文章中提到的采用R-L函数的线性滤波反投影方法、Gordon等人在《理论生物学杂志》(Journaloftheoreticalbiology)第29卷，第3期，471-481页发表的题为《用于三维电子显微镜和X射线CT的代数重建技术》(Algebraicreconstructiontechniques(ART)forthree-dimensionalelectronmicroscopyandX-rayphotography)的文章中提出的代数重建方法、苏邦良等人在《化学工程期刊》(ChemicalEngineeringJournal)第77卷，37-41页发表的题为《同步迭代重建技术在电容层析成像中的应用》(Theuseofsimultaneousiterativereconstructiontechniqueforelectricalcapacitancetomography)的文章中提出的同步迭代重建方法、Anderson等人在《超声成像》(UltrasoundImaging)第6卷，81-94页发表的题为《同步代数重建技术(SART)：ART算法更优越的实现》(Simultaneousalgebraicreconstructiontechnique(SART):asuperiorimplementationoftheARTalgorithm)的文章中提出的同步代数重建方法等；在反射法方面，典型的图像重建算法有2013年徐春广等人在《仪器仪表与传感器》(InstrumentationTechniqueandSensor)2013-04期中发表的题为《基于VC++的超声探伤仪发射端信号测量与处理系统》的文章中提出的反射式超声椭圆成像算法、2017年Langener等人在《流动测量与设备》(FlowMeasurementandInstrumentation)第53卷，107-115页发表的题为《一种基于超声反射重建技术的实时超声过程层析成像系统》(Areal-timeultrasoundprocesstomographysystemusingareflectionmodereconstructiontechnique)的文章中体出的基于路径追踪的超声反射图像重建算法。上述超声层析成像图像重建方法中，往往采用透射法或反射法单独进行图像重建，透射法和反射法对不同位置及不同声阻抗比的介质有较为互补的成像效果，如反射法对靠近场域边界的离散相介质可以实现较好的重建，透射法对靠近场域中央的离散相介质可以实现较好的重建，但两种方法单独使用的时候对不同位置的成像效果差别较大，无法做到对各个位置的离散相介质分布进行快速、准确的可视化表征。此外，在超声成像图像重建算法及其改进方法中，探头数量的多少对重建图像精度及重建图像分辨率有至关重要的影响，即超声成像图像重建方法与探头间的有效路径数目紧密相关：投影路径越多，成像精度越高，伪影越少。但在UPT实际应用过程中，受限于场域尺寸及信号激励幅值限制，场域边界的探头数不能无限增加；另一方面，超声作为机械波在场域内的传播需要一定的渡越时间，换能器数目过多无法满足可视化监测的实时性要求。单独使用透射法或反射法进行图像重建均仅能利用超声信号中包含的部分信息，无法在保证较快的数据成像速度前提下实现较高精度的图像重建。因此需要一种在低投影数量下有效利用透射反射多模态信息的图像重建算法，以期在保证实时性图像重建速度的同时实现叫高精度的重建。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种利用透射反射模态融合的超声层析成像方法，用于实现被测物场两相介质分布的重建和可视化表征。通过数字正交乘法解调同时获取反射渡越时间及透射幅值衰减信息。基于解调信息，搭建反射边界约束方程并提出基于滤波反投影的联合约束图像重建方法，解决了透射及反射图像重建算法分别在某些情况本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种透射反射模态融合的超声层析成像方法，用于实现被测物场两相介质分布的重建和可视化表征，包含以下步骤：(1)在被测场域外表面均匀的布置N个超声换能器，并使用四周期脉冲正弦波电压对发射探头进行激励，场域边界上的所有超声换能器均用于接收超声信号，采用循环激励的策略，场域内边界的每个超声换能器均分别用来进行激励，对于N个超声换能器构成的传感器阵列，共接收N×N个时变超声信号；(2)采用数字正交乘法解调对所获得的超声时变信号解调，得到正交解调结果，即幅值A和信号滞后的相位

【技术特征摘要】
1.一种透射反射模态融合的超声层析成像方法，用于实现被测物场两相介质分布的重建和可视化表征，包含以下步骤：(1)在被测场域外表面均匀的布置N个超声换能器，并使用四周期脉冲正弦波电压对发射探头进行激励，场域边界上的所有超声换能器均用于接收超声信号，采用循环激励的策略，场域内边界的每个超声换能器均分别用来进行激励，对于N个超声换能器构成的传感器阵列，共接收N×N个时变超声信号；(2)采用数字正交乘法解调对所获得的超声时变信号解调，得到正交解调结果，即幅值A和信号滞后的相位(3)根据正交解调采集信号每一点的幅值和相位信息进行每一点的幅值大小比值，将前一时刻的数据点与下一时刻的数据点进行比较，最终保存的值为接收脉冲信号的最大幅值，停止刷新后，累加器的计数值为测量脉冲信号的最大幅值，最大幅值即为解调得到的边界电压测量值，其对应的时间即为解调得到的渡越时间；(4)计算离散相介质边界点距超声换能器的距离并构建超声反射约束方程，方法如下：[1]根据对每个超声换能器自发自收超声信号进行解调得到的渡越时间，计算内含离散相介质边界点与超声换能器探头的轴线距离：其中，dt-r表示离散相介质边界点与超声换能器探头的轴线距离，TOFt-r表示对应离散相介质边界点距离的渡越时间，cw表示被测场域内连续相介质的声速；[2]根据场域内每个换能器对应的离散相介质边界距离，构建超声反射约束方程，其计算方式表示为：H(α)＝[α(p1)-a1·p1,α(p2)-a2·p2,…,α(pn)-an·pn]T＝0其中，α(·)表示衰减系数，p2表示被测场域内的第二个像素，pn表...

【专利技术属性】
技术研发人员：董峰，刘皓，谭超，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12