[發明專利]總變差正則化約束的超聲成像同步代數迭代重建方法

有效

• 申請號: 201811287534.1
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109598769B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 董峰;劉皓;譚超
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種總變差正則化約束的超聲成像同步代數迭代重建方法，用于超聲層析成像，包含：獲取重建所需的投影衰減測量值；構建系數矩陣，在考慮投影路徑與場域像素重疊面積比例的同時考慮重疊區域相對于場域像素的幾何位置；使用同步代數重建方法進行成像預處理；搭建正則化加權最小二乘法框架并將總變差正則化作為正則化項，將同步代數迭代重建方法作為代數項，進行逆問題迭代重建計算；迭代直至殘差滿足要求。

技術領域

本發明屬于超聲層析成像技術領域，用于實現場域內弱聲阻抗比介質分布衰減系數的重建。

背景技術

超聲層析成像技術(Ultrasonic?Tomography,UT)是一種結構性成像技術，其通過在被測場域外布置超聲傳感器陣列并施加一定的激勵以得到邊界電壓測量數據，以此來重建被測場域內部的折射系數、衰減系數或聲阻抗分布情況。相比軟場成像技術例如電阻抗層析成像(Electrical?Impedance?Tomography,EIT)和電磁層析成像(MagneticImpedance?Tomography,MIT)，UT具有非侵入、分辨率高的優點，相比精度較高的硬場成像技術如X射線層析成像(X-ray?Computed?Tomography,X-CT)及光學層析成像方法(OpticalCoherence?Tomography,OCT)，UT使用安全、結構簡單、可以實現實時成像。此外UT還有著非接觸、方向性好、成本低等優勢，是一種較為理想的過程可視化檢測監視手段。UT作為一種層析成像技術手段，在多相流可視化檢測、化工石油輸送、航空發動機探查以及生物醫學診斷中均有廣泛的應用。

完整的UT系統主要包含三個部分：傳感器陣列設計與換能器安裝；信號激勵、采集系統；超聲成像重建算法。其中超聲成像算法通過對從采集系統得到的換能器接收信號進行處理，通過解調提取測量幅值或渡越時間，得到某個確定激勵下的全部換能器的有效測量數據，進一步通過圖像重建方法得到場域內含物介質分布的合理估計。目前，超聲成像重建算法主要存在成像分辨率低、成像精度差、圖像偽影嚴重等三個方面的問題。此外，作為一種主要利用硬場特性的成像方法，超聲成像方法嚴重依賴于場域邊界換能器的數量，其逆問題求解具有嚴重的病態性(對測量值得微小擾動會導致重建結果的大幅度變化)和欠定性(所需求解的方程數遠小于未知量的數目，方程有無窮多解)。為克服這個問題，學者們提出了許多圖像重建算法，其中，基于路徑的投影重建算法是一種克服病態性的有效手段。該方法通過計算激勵、接收換能器間的路徑，將收發探頭間的時間延遲或幅值衰減均勻的分配給所計算路徑上的每一個像素，通過對不同收發探頭間的路徑進行計算和對同一像素在不同路徑上的估計值進行疊加，得到場域內每個像素值的有效估計，以達到可視化測量和圖像重建的目的。典型的投影重建方法有徐立軍等人1998年在《儀器儀表學報(ChineseJournal?of?Scientific?Instrument)》第17卷，1-7頁，發表的“氣液兩相泡狀流體監測用超聲層析成像系統的研究(Investigation?of?Ultrasound?Tomography?System?used?forMonitoring?Bubbly?Gas/Liquid?Two-phase?fluid)”中提到的二值反投影方法、Rahim等人在《Sensors?and?Actuators(傳感器與執行器)》第135卷，337-345頁發表的“Non-invasive?imaging?of?liquid/gas?flow?using?ultrasonic?transmission?modetomography(超聲對液體、氣體的非侵入性成像)”中提到的采用R-L函數的線性濾波反投影方法、Gordon等人在《Journal?of?theoretical?biology(理論生物學雜志)》第29卷，第3期，471-481頁發表的“Algebraic?reconstruction?techniques(ART)for?three-dimensional?electron?microscopy?and?X-ray?photography(用于三維電子顯微鏡和X射線CT的代數重建技術)”中提出的代數重建方法、蘇邦良等人在《Chemical?EngineeringJournal(化學工程期刊)》第77卷，37-41頁發表的“The?use?of?simultaneous?iterativereconstruction?technique?for?electrical?capacitance?tomography(同步迭代重建技術在電容層析成像中的應用)”中提出的同步迭代重建方法、Anderson等人在《UltrasoundImaging(超聲成像)》第6卷，81-94頁發表的“Simultaneous?algebraic?reconstructiontechnique(SART):a?superior?implementation?of?the?ART?algorithm(同步代數重建技術(SART)：ART算法更優越的實現)”中提出的同步代數重建方法等。其中，SART算法以其收斂快速、殘差較小的優點被廣泛使用在生物組織超聲成像的研究中。