超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法技术方案

本发明专利技术涉及一种超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法。所述超声粒子图像测速系统包括注射装置、高频超声换能器、高频超声电子系统和计算机，所述注射装置用于向流体中添加示踪剂，所述高频超声电子系统激励高频超声换能器发射高频超声波信号，所述高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，所述高频超声换能器接收背向散射射频信号，所述高频超声电子系统对背向散射射频信号进行处理，得到亮度模式超声图像，所述计算机对相邻两帧亮度模式超声图像进行粒子图像测速分析，得到流场速度向量图和流体动力学信息。所述超声粒子图像测速系统及超声粒子图像测速方法可以用于测量微尺度非透明流体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
目前比较成熟的微尺度流场成像和测量技术是光学显微粒子成像技术。光学显 微粒子成像技 术是利用激光照射在播散于流体并跟随流体运动的微米级荧光示踪粒子，荧 光示踪粒子被入射光激发后发射出的荧光经显微物镜、三棱镜、滤光镜和中继镜后进入CCD 相机进行成像，由计算机进行图像分析和处理，从而获得速度场分布。但是光学显微粒子成 像技术仅适用于测量光学透明的微尺度流场，而对于非透明的流道壁或流质，该技术无法 适用。
技术实现思路
有鉴于此，有必要针对光学显微粒子成像技术不能测量微尺度非透明流体的问 题，提供一种可以测量微尺度非透明流体的超声粒子图像测速系统。一种超声粒子图像测速系统，包括注射装置、高频超声换能器、高频超声电子系统 和计算机，所述注射装置用于向流体中添加示踪剂，所述高频超声电子系统激励高频超声 换能器发射高频超声波信号，所述高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，所述高频 超声换能器接收背向散射射频信号，所述高频超声电子系统对背向散射射频信号进行处 理，得到亮度模式超声图像，所述计算机对相邻两帧亮度模式超声图像进行粒子图像测速 分析，得到流场速度向量图和流体动力学信息。优选的，所述流体动力学信息包括流场剪切力分布和速度梯度分布。优选的，所述高频超声换能器是线阵高频超声换能器、扇扫高频超声换能器和线 扫高频超声换能器中的一种。优选的，所述高频超声电子系统包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、 带通滤波器、放大器和数据采集卡，所述信号发生器在计算机的控制下产生激励信号，激励 信号由功率放大器放大后经保护电路传送至高频超声换能器，背向散射射频信号经过衰减 器、带通滤波器和放大器处理后由数据采集卡传送至计算机。优选的，所述流体为非透明流体。还提供一种超声粒子图像测速方法。一种超声粒子图像测速方法，包括向待测流体中添加示踪剂；发射高频超声波 信号；采集背向散射射频信号；获得亮度模式超声粒子图像；获得流场速度向量图和流体 动力学信息。优选的，所述流体动力学信息包括流场剪切力分布和速度梯度分布。优选的，所述示踪剂是造影微泡或造影微粒。优选的，所述高频超声波信号的频率范围是20MHz 100MHz。优选的，所述流体为非透明流体。上述超声粒子图像测速系统采用声学的手段得到亮度模式超声图像，并最终得到 速度向量图，获得流场剪切力分布等流体信息。因为不是采用光学的手段，所以上述超声粒 子图像测速系统及超声粒子图像测速方法可以用于测量微尺度非透明流体。附图说明 图1是超声粒子图像测速系统的示意图。图2是超声粒子图像测速方法的流程图。图3是连续的两帧亮度模式超声粒子图像的示意图。图4是二维的速度向量场的示意图。图5是直径为600微米的导管内层流流体的速度向量图。图6是弯曲流体的速度向量图。图7是导管内局部狭窄部位的流体速度向量图。具体实施例方式图1是超声粒子图像测速系统的示意图。超声粒子图像测速系统100包括注射装 置101、高频超声换能器103、高频超声电子系统105和计算机107。注射装置101用于向流 体中添加示踪剂。高频超声电子系统105激励高频超声换能器103发射高频超声波信号，高 频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，高频超声换能器103接收背向散射射频信号， 高频超声电子系统105对背向散射射频信号进行处理，得到亮度模式超声图像，计算机107 对相邻两帧亮度模式超声图像进行粒子图像测速分析，最终得到速度向量图和流体动力学 fn息ο高频超声换能器103可以是线阵高频超声换能器、扇扫高频超声换能器、线扫高 频超声换能器或者其他类型的高频超声换能器。待测微流场的尺寸决定了超声粒子图像测 速系统100所需的纵向分辨率。高频超声换能器103的信号发射特性(比如脉冲宽度、带 宽)也与空间分辨率的需求有关。高的横向分辨率意味着较高的图像质量，而低的横向分 辨率将限制较小速度的识别能力。视场的设置基于感兴趣的流道几何尺寸的大小。对于弯 曲或者有分支的流道，一般需要较大的视场，目的是为了更好的表示由于局部几何特征的 变化引起的速度向量的变化。采用较大的视场将会影响帧频，同样也会影响可测量的速度 动态范围。高频超声电子系统105主要实现驱动超声探头和接受超声背向散射射频信号两 大功能。高频超声电子系统105主要包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通 滤波器、放大器、和数据采集卡。高频超声电子系统105的工作流程是计算机107控制信 号发生器产生激励信号，由功率放大器放大后经保护电路激励高频超声换能器103发射高 频超声波信号。高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，即产生背向散射射频信号。 背向散射射频信号经过衰减器、带通滤波器、放大器等硬件电路处理，最终由集成在计算机 107上的数据采集卡采集到计算机107内存中，再经过一系列的信号处理过程得到所需的 超声粒子图像。图2是超声粒子图像测速方法的流程图。超声粒子图像测速方法包括以下步骤S201 向待测流体中添加示踪剂。示踪剂可以是造影微泡或其他声学性能较好的造影剂。为了得到质量最优的超声 粒子图像测速数据，必须选择合适的系统参数，比如窗口宽度、成像深度、聚焦深度以及互 相关分析窗口的大小和重叠率等等。而示踪剂的浓度在超声粒子图像测速技术中也扮演着 重要的角色，合适的示踪剂浓度下得到的亮度模式超声图像对于超声粒子图像测速分析是 非常重要的。利用从互相关函数(用来标示两个分析窗口之间模式匹配的程度)得到的互 相关指数来评价示踪剂浓度对于超声粒子图像测速结果的影响。对于质量较好的超声粒子 图像测速结果，互相关指数一般介于0. 2 0. 8之间。互相关指数可以用来实时地指示成 像时最佳的示踪剂浓度当互相关指数曲线指示已经达到最佳的浓度时，超声粒子图像测 速系统100就可以开始采集数据了。S202 发射高频超声波信号。 计算机107控制信号发生器产生激励信号，由功率放大器放大后经保护电路激励 高频超声换能器103发射高频超声波信号。高频超声波信号的频率范围是20MHz IOOMHz。S203 采集背向散射射频信号。高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，即产生背向散射射频信号。背向散 射射频信号由高频超声换能器103所接收。S204 获得亮度模式超声粒子图像。对超声背向散射射频信号进行整合以产生该点时间和空间上所需的信号强度。分 析处理射频信号并提取基波成分及其他谐波成分(例如分频谐波、超频谐波或二次谐波 等)，最终获得亮度模式超声粒子图像，进行超声基波成像或超声谐波成像。利用造影微泡 或其他造影剂产生的超声谐波射频数据，目的就是将造影微泡或其他造影剂的背向散射射 频信号从组织的背向散射信号中分离出来，提高超声成像的敏锐度和信噪比。S205 获得流场速度向量图和流体动力学信息。首先，连续的两帧亮度模式超声粒子图像被划分成多个分析窗口(次窗口)，如图 3所示。接着对次窗口进行傅立叶空间的二维互相关运算以得到该处微粒的局部位移。在 两帧图像的时间间隔At已知的情况下，可以计算得到速度向量。对所有的分析窗口进行 互相关运算，就可以得到二维的速度向量场，如图4所示。图5是直径为600微米的导管内 层流流体的速度向量图。从图5可以看出，显微超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声粒子图像测速系统，其特征在于：包括注射装置、高频超声换能器、高频超声电子系统、计算机；所述注射装置用于向流体中添加示踪剂；所述高频超声电子系统激励高频超声换能器发射高频超声波信号；所述高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射；所述高频超声换能器接收背向散射射频信号；所述高频超声电子系统对背向散射射频信号进行处理，得到亮度模式超声图像；所述计算机对相邻两帧亮度模式超声图像进行粒子图像测速分析，得到流场速度向量图和流体动力学信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑海荣，钱明，凌涛，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]