[發(fā)明專利]正則化加權最小二乘的透射反射雙模式超聲成像重建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910854620.4
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN110706298B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)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(fā)明涉及一種正則化加權最小二乘的透射反射雙模式超聲成像重建方法，包括下列步驟：步驟一：獲取邊界測量值：在被測場域外表面均勻布置一定數(shù)量的超聲換能器，并分別使用正弦連續(xù)波電壓與兩周期脈沖波電壓對發(fā)射探頭進行激勵。步驟二：基于收發(fā)超聲探頭相對幾何位置進行直線投影。在透射模式下使用同步代數(shù)重建方法SART進行透射預成像。步驟三：使用透射預成像結果對全部收發(fā)探頭的邊界反射點進行聚類分析和曲線擬合，得到光滑內含物邊界擬合輪廓，根據(jù)輪廓構建邊界點約束方程。步驟四：對目標函數(shù)使用預優(yōu)近端梯度下降法進行求解。

技術領域

本發(fā)明屬于超聲層析成像技術領域，涉及實現(xiàn)一種利用正則化加權最小二乘的透射反射雙模式超聲層析成像重建方法，用于實現(xiàn)被測物場兩相介質分布的重建與可視化表征。

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，其通過對布置于被測場域外的超聲傳感器陣列施加一定的激勵，并記錄傳感器接收到的時變電壓信號，結合圖像重建算法對被測場域內折射系數(shù)、衰減系數(shù)或聲阻抗分布等參數(shù)進行可視化表征。相比其他成像方法如電阻抗層析成像(Electrical?Impedance?Tomography,EIT)、電磁層析成像(Magnetic?Impedance?Tomography,MIT)、X射線層析成像(X-ray?ComputedTomography,X-CT)及光學層析成像方法(Optical?Coherence?Tomography,OCT)，UT具有成本低、使用安全、結構簡單、成像速度快等優(yōu)勢，是一種較為理想的過程可視化檢測手段，在多相流可視化檢測、化工石油輸送、航空發(fā)動機探查以及生物醫(yī)學診斷中均有廣泛的應用。

超聲層析成像主要包含三個部分：超聲換能器陣列、信號激勵與采集系統(tǒng)、超聲成像圖像重建算法。其中超聲成像算法通過對從采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)，進一步通過圖像重建方法得到被測物場兩相介質分布的合理估計。目前，超聲成像重建算法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(shù)量，其逆問題求解具有嚴重的病態(tài)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(shù)遠小于未知量的數(shù)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，超聲層析成像圖像重建方法根據(jù)其敏感效應的不同主要分為透射模式和反射模式：其中透射模式記錄激勵源對側超聲探頭接收到的時變電壓信號實現(xiàn)渡越時間、衰減幅值的提取，進而對介質分布進行重建；反射模式記錄激勵源及其同側超聲探頭接收到的時變電壓信號，提取渡越時間以重建兩相介質中離散相邊界位置，提取信號幅值以確定邊界聲阻抗差異。在透射模式超聲成像算法研究中，典型的圖像重建方法有徐立軍等人1998年在《儀器儀表學報》第17卷，1-7頁，發(fā)表的題為《氣液兩相泡狀流體監(jiān)測用超聲層析成像系統(tǒng)的研究》(Investigation?of?Ultrasound?Tomography?System?usedfor?Monitoring?Bubbly?Gas/Liquid?Two-phase?fluid)的文章中提到的二值反投影方法、Rahim等人2007年在《傳感器與執(zhí)行器》(Sensors?and?Actuators)第135卷，337-345頁發(fā)表的題為《超聲透射層析成像技術對液體、氣體的非侵入性成像》(Non-invasiveimaging?of?liquid/gas?flow?using?ultrasonic?transmission?mode?tomography)的文章中提到的采用濾波函數(shù)的線性反投影方法、Rahim等人2017年在《IEEE工業(yè)電子匯刊》(IEEETransactions?on?Industrial?Electronics)第64卷，第12期，9636-9645頁發(fā)表的題為《導電管壁內氣泡柱上升過程的相含率檢測：仿真和實驗研究》(Simulative?andExperimental?Studies:Void?Fraction?Detection?in?Bubble?Column?of?a?ConductingPipe)的文章中提出的超聲閾值濾波方法、蘇邦良等人2000年在《化學工程》(ChemicalEngineering?Journal)第77卷，37-41頁發(fā)表的題為《同步迭代重建技術在電容層析成像中的應用》(The?use?of?simultaneous?iterative?reconstruction?technique?forelectrical?capacitance?tomography)的文章中提出的同步迭代重建方法、等；在反射模式超聲成像算法研究中，典型的圖像重建算法有徐春廣等人在《儀表技術與傳感器》2013年第4期中發(fā)表的題為《基于VC++的超聲探傷儀發(fā)射端信號測量與處理系統(tǒng)》的文章中提出的反射式超聲橢圓成像算法、Langener等人2017年在《流動測量與儀表》(Flow?Measurementand?Instrumentation)第53卷，107-115頁發(fā)表的題為《一種基于超聲反射重建技術的實時超聲過程層析成像系統(tǒng)》(Areal-time?ultrasound?process?tomography?system?usingareflection?mode?reconstruction?technique)的文章中提出的基于路徑追蹤的超聲反射圖像重建算法。