[發(fā)明專利]分層物體的合成孔徑聚焦超聲成像方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210523789.X
• 申請(qǐng)日: 2012-12-07
• 公開（公告）號(hào): CN103018333A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦開懷;楊春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N29/06
• 分類號(hào): G01N29/06
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

1.分層物體的合成孔徑聚焦超聲成像方法，其特征在于，依次含有以下步驟：

步驟(1):構(gòu)建一個(gè)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一個(gè)超聲換能器、一套定位控制器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成的一個(gè)基于合成孔徑聚焦技術(shù)和折射定律的用于對(duì)分層物體在深度和水平兩個(gè)方向形成的縱斷面上作無損傷超聲成像的系統(tǒng)，其中：

所述超聲換能器設(shè)有：與所述定位控制器的輸出端相連的脈沖信號(hào)輸入端，所述定位控制器的輸入端與所述計(jì)算機(jī)相應(yīng)的定位控制信號(hào)輸出端相連，所述超聲換能器還設(shè)有：與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連的回波信號(hào)輸出端，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述計(jì)算機(jī)的回波采樣信號(hào)輸入端相連，所述超聲換能器由所述定位控制器控制，在被測(cè)物體表面以1步長/ms的固定速率移動(dòng)，所述定位控制器是控制所述超聲換能器移動(dòng)位置的傳動(dòng)裝置，其參數(shù)由所述計(jì)算機(jī)輸入，

被測(cè)物體沿X軸方向的水平長度為X_length，均分為X_length/Δx個(gè)區(qū)間，Δx為區(qū)間長度，也是所述超聲換能器沿X軸從坐標(biāo)點(diǎn)(0,0)起向終點(diǎn)(X_length,0)止每次移動(dòng)的步長，所述超聲換能器每次移動(dòng)所達(dá)到的點(diǎn)稱為探測(cè)點(diǎn)，共有M個(gè)，M＝1+X_length/Δx，序號(hào)m=0,1,…，M-1，所述定位控制器在每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)TTL晶體管-晶體管邏輯電平脈沖，觸發(fā)所述超聲換能器向被測(cè)物體的垂直于X軸的深度方向Z發(fā)射一個(gè)激勵(lì)脈沖，隨后超聲換能器轉(zhuǎn)為接收模式并開始計(jì)時(shí)，接收從被測(cè)物體反射的回波信號(hào)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)所述超聲換能器在探測(cè)點(diǎn)m處接收到的回波信號(hào)進(jìn)行N次采樣并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，采樣序號(hào)n=0,1，…,N-1，采樣頻率為f_s，f_s的值為模數(shù)轉(zhuǎn)換器預(yù)設(shè)，記s_m(n)為超聲換能器在第m個(gè)探測(cè)點(diǎn)處的第n次采樣得到的采樣值，s_m(n)的采樣時(shí)刻為t＝n/f_s；

步驟(2):所述計(jì)算機(jī)從n=0開始依序讀取探測(cè)點(diǎn)m=0處的采樣值，然后，重復(fù)該過程依次讀取m=1，…,M-1各探測(cè)點(diǎn)處的采樣值；

步驟(3):取v＝v₁，v₁為超聲在被測(cè)物體的第一層介質(zhì)中的傳播速度，使用合成孔徑聚焦超聲成像軟件包生成深度方向上z₀=0至Z_depth-1區(qū)間的縱斷面圖像，Z_depth為預(yù)設(shè)的生成圖像的長度，即生成的圖像在縱向上用像素?cái)?shù)表示的深度值；

步驟(4):以步驟(3)得到的z₀至Z_depth-1區(qū)間圖像塊作為輸入量，使用Canny算子邊緣提取軟件包提取第一層介質(zhì)與第二層介質(zhì)的分界線c₁(x，z)；

步驟(5):按以下步驟修正所述縱斷面上在分界線c₁(x,z)之下至Z_depth-1區(qū)間的圖像，以消除第一層與其他各層介質(zhì)間的不同質(zhì)而導(dǎo)致的誤差：

步驟(5.1):取m=0，記第m個(gè)探測(cè)點(diǎn)為U(x_u,0)，其中，x_u=mΔx/accuracy，accuracy為圖像精度，即所生成的圖像上相鄰兩個(gè)像素點(diǎn)的間距，依次按以下步驟計(jì)算第m個(gè)探測(cè)點(diǎn)U(x_u,0)處所對(duì)應(yīng)的扇形圖像：

步驟(5.1.1):計(jì)算超聲換能器的半功率波束角β_0.5=0.84λ/D，λ為超聲在被測(cè)物體中傳播時(shí)的波長，D為超聲換能器的直徑，并計(jì)算所述半功率波束角的左、右邊界線分別與分界線c₁(x，z)的左右兩個(gè)交點(diǎn)B_l(x_l,z_l)、B_r(x_r，z_r)，其中，x_l=x_u-z_l×tg(0.5β_0.5)且滿足c₁(x_l,z_l)=0，x_r=x_u+z_r×tg(0.5β_0.5)且滿足c₁(x_r,z_r)=0；

步驟(5.1.2):在分界線c₁(x，z)上取折射點(diǎn)R(x_R,z_R)＝B_l(x_l,z_l)，計(jì)算歸一化的折射向量其中，eta為所述被測(cè)物體中與分界線c₁(x，z)相鄰的兩層介質(zhì)間的相對(duì)折射率，是分界線上點(diǎn)R(x_R,z_R)處的單位法向矢量，a=1.0-eta×eta×[1.0-(RU→·e→)×(RU→·e→)],]]>“·”為向量點(diǎn)積運(yùn)算，為從所述探測(cè)點(diǎn)U(x_u,0)到折射點(diǎn)R(x_R,z_R)的歸一化的入射向量；

步驟(5.1.3):計(jì)算折射矢量的斜率k，取直線上的初始點(diǎn)為R(x_R,z_R)，利用Bresenham直線掃描轉(zhuǎn)換軟件包，從折射點(diǎn)R開始，計(jì)算折射路徑上的所有像素點(diǎn)直到到達(dá)圖像的左邊界x=0或者右邊界x=(M-1)Δx/accuracy或者下邊界z=Z_depth-1為止，記當(dāng)前折射點(diǎn)R為R_f，即R_f(x_f,z_f)=R(x_R,z_R)，并記折射路徑為R_fE_f，E_f為R_fE_f在圖像內(nèi)的終點(diǎn)，即折射路徑R_fE_f與圖像邊界的交點(diǎn)；

步驟(5.1.4):取x_g=x_f+1，查找分界線c₁(x，z)上當(dāng)前折射點(diǎn)R_f所在位置的下一個(gè)像素點(diǎn)R_g(x_g,z_g)，點(diǎn)R_g的坐標(biāo)滿足c₁(x_g,z_g)=0，取R_g為新的折射點(diǎn)，即R(x_R,z_R)＝R_g(x_g,z_g)，執(zhí)行步驟(5.1.2)和步驟(5.1.3)，掃描轉(zhuǎn)換新的折射路徑R_gE_g，記終點(diǎn)為E_g；

步驟(5.1.5):計(jì)算當(dāng)前折射點(diǎn)R_g的折射路徑R_gE_g的終點(diǎn)E_g與上一個(gè)折射點(diǎn)R_f的折射路徑R_fE_f的終點(diǎn)E_f之間的距離Δd＝|E_fE_g|，將分界線c₁(x，z)上當(dāng)前折射點(diǎn)R_g與上一個(gè)折射點(diǎn)R_f之間的曲線段均分為Δd份，即插入Δd-1個(gè)點(diǎn)，插入點(diǎn)序號(hào)記為τ=1,2,…,Δd-1，對(duì)τ值以1為步長以τ=1為初始值循環(huán)執(zhí)行下述步驟(5.1.5.1)直到τ=Δd止：

步驟(5.1.5.1):插值計(jì)算第τ個(gè)插入點(diǎn)R_τ的坐標(biāo)，x_τ=x_f+τ/Δd，z_τ＝z_f+(z_g-z_f)τ/Δd，取折射點(diǎn)R(x_R,z_R)＝R_τ(x_τ,z_τ)，執(zhí)行步驟(5.1.2)和步驟(5.1.3)，掃描轉(zhuǎn)換從點(diǎn)R_τ出發(fā)的折射路徑;

步驟(5.1.6):取R_f=R_g，E_f=E_g，執(zhí)行步驟(5.1.4)和步驟(5.1.5)；

步驟(5.1.7):重復(fù)執(zhí)行步驟(5.1.6)直到x_g=x_r+1止，即處理完分界線c₁(x，z)上介于B_l(x_l,z_l)和B_r(x_r，z_r)之間所有的折射點(diǎn)和折射路徑，得到第m個(gè)探測(cè)點(diǎn)U(x_u,0)處所對(duì)應(yīng)的扇形圖像；

步驟(5.2):依次取m=1,…,M-1，重復(fù)執(zhí)行步驟(5.1)，生成所述縱斷面上在分界線c₁(x,z)之下至Z_depth-1區(qū)間的圖像；

步驟(6):以步驟(5)得到的分界線c₁(x,z)之下至Z_depth-1區(qū)間的圖像塊作為輸入量，使用Canny算子邊緣提取軟件包提取所述分界線c₁(x,z)至Z_depth-1之間的第二層介質(zhì)與第三層介質(zhì)的分界線c₂(x,z)，按照步驟(5)所述的方法修正所述縱斷面上在分界線c₂(x,z)之下至Z_depth-1區(qū)間的圖像，以消除第二層與其下各層介質(zhì)間的不同質(zhì)而導(dǎo)致的誤差；

步驟(7):按步驟(6)所述的方法，處理剩余各條分界線，直到所述縱斷面中所有分界線處理完止，生成寬度為(M-1)Δx/accuracy+1個(gè)像素、長度為Z_depth個(gè)像素的所述縱斷面的圖像。