一种非均匀形状约束的像素值域滤波超声成像重建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于非均匀形状约束的像素值域滤波超声成像重建方法，包括：根据被测场域，获取重建所需的投影衰减测量值；构建基于路径长度的系数矩阵，即在不含内含物的空场内根据激励探头和接收探头的相对位置计算其连线即投影路径穿过场域内像素的情况；进行成像迭代计算：针对场域内每个像素计算基于非均匀滤波核的像素值滤波模板：将场域内所有像素对应滤波器模板进行卷积，得到滤波后场域内每个位置的像素值；计算滤波后边界测量值和重建估计值之间的残差，迭代直至残差满足要求。

【技术实现步骤摘要】
一种非均匀形状约束的像素值域滤波超声成像重建方法
本专利技术属于超声层析成像
，涉及实现一种采用非均匀形状约束的像素值域滤波超声成像方法并用于实现场域内超声层析成像的图像重建。
技术介绍
超声过程层析成像技术(UPT)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(EIT)和电磁层析成像(MIT)，UPT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射线层析成像(X-CT)及光学层析成像方法(OCT)，UPT使用安全、结构简单、可以实现实时成像。此外UPT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。UPT作为一种过程层析成像技术手段，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UPT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场域内含物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，作为一种以硬场成像特性为主的成像方法，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，专家学者们提出了许多图像重建算法，其中，基于路径的投影重建算法是一种克服病态性的有效手段。该方法通过计算激励、接收换能器间的路径，将收发探头间的时间延迟或幅值衰减均匀的分配给所计算路径上的每一个像素，通过对不同收发探头间的路径进行计算和对同一像素在不同路径上的作用值进行叠加，得到场域内每个像素值的有效估计，以达到可视化测量和图像重建的目的。典型的投影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。其中，SART算法以其收敛快速、残差较小的优点被广泛使用在生物组织超声成像的研究中。目前，对SART算法的改进主要集中在通过加入正则化项，引入适当的先验信息：如Tikhonov先验的均匀分布信息、拉普拉斯先验的光滑性信息以及M.Cheney等人在1990年在《国际成像系统与技术杂志》(InternationalJournalofImagingSystems&Technology)第2卷，第66-75页发表的《NOSER：一种求解逆电导率问题的算法》(NOSER:Analgorithmforsolvingtheinverseconductivityproblem)中提出的NOSER先验对应的非均匀分布信息。上述超声成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的有至关重要的影响，即超声成像图像重建的优劣与探头间的有效投影路径数目紧密相关：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，场域边界的探头数目不能无限增加；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。在UPT应用于实际生产过程中时，超声换能器的数目一般不超过32个。较高精度的超声成像要求和较快的数据成像速度需要形成了较大的矛盾。因此需要一种在低投影数量下以较高精度和较少伪影进行超声成像逆问题计算的图像重建算法。
技术实现思路
本专利技术针对超声过程层析成像逆问题图像重建中，传统成像方法不能同时满足较高测量速度(低投影数量)和较高重建精度(高投影数量)的问题，提出一种基于非均匀滤波核的像素值域滤波超声逆问题图像重建算法。该算法可以在重建结果中保留较为清晰和准确的内含物形状结构，在保证实时成像的基础上显著提升UPT的成像精度。技术方案如下：一种基于非均匀形状约束的像素值域滤波超声成像重建方法，包括如下步骤：步骤一：根据被测场域，获取重建所需的第i条投影路径上衰减测量值τi，计算方式为式中fc是激励信号的中心频率，As为空场下的边界电压测量值，Ar为存在内含物情况下的边界电压测量值，ln表示对数符号；步骤二：构建基于路径长度的系数矩阵，即在不含内含物的空场内根据激励探头和接收探头的相对位置计算其连线即投影路径穿过场域内像素的情况，计算公式为：式中Ri,j是场域内第i条投影路径穿过场域内第j个像素的相对长度，同时对应系数矩阵中第i行、第j列的元素，lij为第i条投影路径穿过第j个像素的长度，lpixel为像素对角线长度，若第i条投影路径未经过第j个像素，则Rij＝0；步骤三：使用同步代数重建方法进行成像迭代计算：[1]给出上一次迭代结果得到的像素值分布aj(k-1)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非均匀形状约束的像素值域滤波超声成像重建方法，包括如下步骤：步骤一：根据被测场域，获取重建所需的第i条投影路径上衰减测量值τi，计算方式为

【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀形状约束的像素值域滤波超声成像重建方法，包括如下步骤：步骤一：根据被测场域，获取重建所需的第i条投影路径上衰减测量值τi，计算方式为式中fc是激励信号的中心频率，As为空场下的边界电压测量值，Ar为存在内含物情况下的边界电压测量值，ln表示对数符号；步骤二：构建基于路径长度的系数矩阵，即在不含内含物的空场内根据激励探头和接收探头的相对位置计算其连线即投影路径穿过场域内像素的情况，计算公式为：式中Ri,j是场域内第i条投影路径穿过场域内第j个像素的相对长度，同时对应系数矩阵中第i行、第j列的元素，lij为第i条投影路径穿过第j个像素的长度，lpixel为像素对角线长度，若第i条投影路径未经过第j个像素，则Rij＝0；步骤三：使用同步代数重建方法进行成像迭代计算：[1]给出上一次迭代结果得到的像素值分布aj(k-1)，其中k表示当前迭代次数；[2]根据系数矩阵R计算投影衰减估计值n表示场域内所有像素的个数；[3]计算投影衰减测量值与投影衰减估计值的偏差[4]计算需要更新的像素值分布其中...

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