【技术实现步骤摘要】
一种基于费马原理的超声CT图像重建方法及系统
本专利技术属于功能成像
，更具体地，涉及一种基于费马原理的超声CT图像重建方法及系统，属于超声断层成像中透射式超声成像模式，可实现超声CT声速及衰减系数的重建。
技术介绍
超声CT是一种断层成像模式，采用超声探头发射和接收信号，产生反射数据和透射数据，利用这些数据重建出不同模态的超声断层图像，以便更好地观测物体内部的参数信息。超声CT检测具有价格低廉、对人体无辐射等优点，随着探头加工工艺和计算机高性能运算的快速发展，近些年来超声断层成像技术又再次成为了工业领域和医学领域的研究热点。利用超声CT系统采集的数据可以重建出声速、衰减、密度等多种参数信息，属于功能像的领域。在这里，我们采用透射数据。有研究表明，在病变初期，病变组织功能参数的变化要早于结构变化。因此，超声CT功能成像对病变的早期诊断具有重要辅助意义。以声速这一功能参数为例，超声CT声速重建方法包括基于射线理论的重建算法和基于波动理论的重建算法。基于波动理论的方法成像分辨能力更好，但是容易受微小误差扰动，因而鲁棒性不高，并且运算量很大，对系统精度和数据的性噪比要求更高，目前还不适用于实际应用。基于射线理论的重建算法模型更简单，稳定性更高，并且运算量较小，目前来看是一类高效的、稳定的、适用于临床的声速重建方法。近些年来国内外对超声CT声速重建方法的研究逐渐活跃起来。基于射线理论的研究领域，射线路径的追踪方法众多，针对不同应用场景适用性不同，成像效果也不同。有采用直线路径的，也有采用折线路径...
【技术保护点】
1.一种基于费马原理的超声CT声速重建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)渡越时间的提取：/n针对待测对象，采用环形阵列探头，按发射阵元预先设定的顺序，基于其中一个发射阵元，采集满足预先设定接收阵元角度要求范围内全部接收阵元接收到的透射波数据；接着，按接收阵元预先设定的顺序，对于其中每一条透射波数据，在透射波数据上预估的渡越时间点附近选取匹配窗，窗长度预先设定为N，接着，以当前检索点为分界点，将窗分为两段，利用公式(1)计算当前检索点的AIC值，然后，对窗内的点依次检索，记AIC值最小的点为渡越时间点；/nAIC(k)＝k*log(var(d(1，k)))+(N-k-1)*log(var(d(k+1，N))) (1)/n该公式(1)中，var代表方差，d(1，k)表示第一个点到第k个点的数据；/n如此得到针对同一个发射阵元、且按接收阵元顺序对应的一系列渡越时间，并最终由此得到针对全部发射阵元的、且按发射阵元及接收阵元顺序对应的渡越时间总集合，将该渡越时间总集合列向量化即可得到渡越时间列向量[T
【技术特征摘要】
1.一种基于费马原理的超声CT声速重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)渡越时间的提取：
针对待测对象，采用环形阵列探头，按发射阵元预先设定的顺序，基于其中一个发射阵元，采集满足预先设定接收阵元角度要求范围内全部接收阵元接收到的透射波数据；接着，按接收阵元预先设定的顺序，对于其中每一条透射波数据，在透射波数据上预估的渡越时间点附近选取匹配窗，窗长度预先设定为N，接着，以当前检索点为分界点，将窗分为两段，利用公式(1)计算当前检索点的AIC值，然后，对窗内的点依次检索，记AIC值最小的点为渡越时间点；
AIC(k)＝k*log(var(d(1，k)))+(N-k-1)*log(var(d(k+1，N)))(1)
该公式(1)中，var代表方差，d(1，k)表示第一个点到第k个点的数据；
如此得到针对同一个发射阵元、且按接收阵元顺序对应的一系列渡越时间，并最终由此得到针对全部发射阵元的、且按发射阵元及接收阵元顺序对应的渡越时间总集合，将该渡越时间总集合列向量化即可得到渡越时间列向量[Ttof]；
(2)给定预先设定的声速值作为初始声速值，记迭代次数为1，进入第一次迭代；
(3)根据有限差分方法计算从每个发射阵元出发到成像区域每个像素点的时间τ，并根据费马原理计算胖射线路径，具体是：
将成像区域划分成m1×m2个网格，其中m1、m2均为预先设定的正整数；
然后，按所述发射阵元预先设定的顺序，对于其中一个发射阵元，将与该发射阵元相对应的、且满足预先设定接收阵元角度要求范围内的全部接收阵元，按所述接收阵元预先设定的顺序，选取其中一个接收阵元，得到一对发射阵元-接收阵元；接着，就这一对发射阵元-接收阵元计算声波从该发射阵元到该接收阵元经过的胖射线路径；具体的，采用有线差分法计算每一个发射阵元发射声波，传播到成像区域每个像素点的时间τ，以成像区域的每一个像素点P点为对象，若满足
τSP+τRP-τSR≤Δt(2)
则，该网格的胖射线路径值为有效值，记为预先设定的值；否则为无效值，记为0；从而得到这一对发射阵元-接收阵元下、对应于成像区域各个网格的一系列胖射线路径值，接着再将这一系列胖射线路径值行向量化，即可得到胖射线路径行向量；
所述公式(2)中，S代表发射阵元，R代表接收阵元，S和R互为发射接收，τSP代表声波由S出发、到达P的时间，τRP代表声波由R出发、到达P的时间，τSR代表声波由S出发、到达R的时间；Δt为按迭代次数从预先设定的时间阈值数列{Δt}中选取的第i个时间阈值，i与所述迭代次数在数值上相等，该时间阈值数列{Δt}中的时间阈值是按由大到小的顺序排列，且该时间阈值数列{Δt}中的任意一个时间阈值均与探头中心频率f相关；
如此即可得到针对同一个发射阵元、且按接收阵元顺序对应的一系列胖射线路径行向量，并最终得到针对全部发射阵元的、且按发射阵元及接收阵元顺序对应的胖射线路径行向量总集合；将每个行向量视为一个元素整体，将该胖射线路径行向量总集合中的所有元素排列成一列，即可得到行位置与发射阵元及接收阵元顺序相对应的胖射线路径总矩阵[L]；
(4)反问题的求解，并更新声速值：
基于所述步骤(1)得到的渡越时间列向量[Ttof]和所述步骤(3)得到的胖射线路径总矩阵[L]构建如式(3)所示的路径-慢度-时间方程组：
[L][S]＝[Ttof](3)
该式(3)中，[S]是总行数为m1×m2、总列数为1的待求解的慢度列向量；
然后，采用随机梯度下降法解方程组求解得到[S]，接着对[S]中的每个元素取倒数，即可得到针对待测对象的速度重建值，然后以该速度重建值更新声速值；同时更新迭代次数，使迭代次数加1；
(5)判断迭代次数是否小于预先设定的迭代次数阈值，若小于，则重复步骤(3)和步骤(4)；若不小于，则终止迭代，并输出最终的声速值；
此外，所述预先设定的时间阈值数列{Δt}中时间阈值的总个数大于等于所述预先设定的迭代次数阈值。
2.如权利要求1所述基于费马原理的超声CT声速重建方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述预先设定接收阵元角度要求范围是以这一发射阵元正对面为基准、以所述环形阵列，探头的圆心为圆心、圆心角角度从-α到+α共计2α角度范围内的接收阵元，其中，α为预先设定的正角度，并且2α满足90°～270°。
3.如权利要求1所述基于费马原理的超声CT声速重建方法，其特征在于，所述步骤(2)中，是以水中的声速值作为所述初始声速值；
所述步骤(3)中，网格的胖射线路径值中，有效值是记为1。
4.一种基于费马原理的超声CT衰减系数重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)能量参数的提取：
针对待测对象，采用环形阵列探头，按发射阵元预先设定的顺序，基于其中一个发射阵元，采集满足预先设定接收阵元角度要求范围内全部接收阵元接收到的透射波的能量参数，并将这些能量参数按接收阵元预先设定的顺序排列，如此得到针对同一个发射阵元、且按接收阵元顺序对应的一系列能量参数；并最终由此得到针对全部发射阵元的、且按发射阵元及接收阵元顺序对应的能量参数总集合，将该参量参数总集合列向量化即可得到能量参数列向量[P]；
(2)给定预先设定的衰减系数值作为初始衰减系数值，记迭代次数为1，进入第一次迭代；
(3)根据有限差分方法计算从每个发射阵元出发到成像区域每个像素点的时间τ，并根据费马原理计算胖射线路径，具体是：
将成像区域划分成m1×m2个网格，其中m1、m2均为预先设定的正整数；
然后，按所述发射阵元预先设定的顺序，对于其中一个发射阵元，将与该发射阵元相对应的、且满足预先设定接收阵元角度要求范围内的全部接收阵元，按所述接收阵元预先设定的顺序，选取其中一个接收阵元，得到一对发射阵元-接收阵元；接着，就这一对发射阵元-接收阵元计算声波从该发射阵元到该接收阵元经过的胖射线路径；具体的，是以成像区域的每一个网格中心点P点为对象，若满足
τSP+τRP-τSR≤Δt(2)
则，该网格的胖射线路径值为有效值，记为预先设定的值；否则为无效值，记为0；从而得到这一对发射阵元-接收阵元下、对应于成像区域各个网格的一系列胖射线路径值，接着再将这一系列胖射线路径值行向量化，即可得到胖射线路径行向量；
所述公式(2)中，S代表发射阵元，R代表接收阵元，S和R互为发射接收，τSP代表声波由S出发、到达P的时间，τRP代表声波由R出发、到达P的时间，τSR代表声波由S出发、到达R的时间；Δt为按迭代次数从预先设定的时间阈值数列{Δt}中选取的第i个时间阈值，i与所述迭代次数在数值上相等，该时间阈值数列{Δt}中的时间阈值是按由大到小的顺序排列，且该时间阈值数列{Δt}中的任意一个时间阈值均与探头中心频率f相关；
如此即可得到针对同一个发射阵元、且按接收阵元顺序对应的一系列胖射线路径行向量，并最终得到针对全部发射阵元的、且按发射阵元及接收阵元顺序对应的胖射线路径行向量总集合；将每个行向量视为一个元素整体，将该胖射线路径行向量总集合中的所有元素排列成一列，即可得到行位置与发射阵元及接收阵元顺序相对应的胖射线路径总矩阵[L]；
(4)反问题的求解，并更新衰减系数值：
基于所述步骤(1)得到的能量参数列向量[P]和所述步骤(3)得到的胖射线路径总矩阵[L]构建如式(4)所示的路径-衰减-能量参数方程组：
[L][A]＝[P](4)
该式(4)中，[A]是总行数为m1×m2、总列数为1的待求解的衰减系数列向量；
然后，采用随机梯度下降法解方程组求解得到[A]，这样即可得到针对待测对象的衰减系数重建值，然后以该衰减系数重建值更新衰减系数值；同时更新迭代次数，使迭代次数加1；
(5)判断迭代次数是否小于预先设定的迭代次数阈值，若小于，则重复步骤(3)和步骤(4)；若不小于，则终止迭代，并输出最终的衰减系数值；
此外，所述预先设定的时间阈值数列{Δt}中时间阈值的总个数大于等于所述预先设定的迭代次数阈值。
5.如权利要求4所述基于费马原理的超声CT衰减系数重建方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述预先设定接收阵元角度要求范围是以这一发射阵元正对面为基准、以所述环形阵列探头的圆心为圆心、圆心角角度从-α到+α共计2α角度范围内的接收阵元，其中，α为预先设定的正角度，并且2α满足90°～2...
【专利技术属性】
技术研发人员：尉迟明，丁明跃，方小悦，武云，宋俊杰，周亮，张求德，周权，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。