[发明专利]集成透射式和反射式超声过程层析成像方法

摘要

本发明涉及一种集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，相对于单一的透射式或反射式超声层析技术，可以在不增加换能器数目的前提下，大幅提高所获的投影数据量。综合考虑透射波峰值大小信息和反射波的渡越时间信息，更好的约束目标物出现位置的区域，从而大大减少原始强度图像的造影，提高识别的分辨率；以透射式层析成像作为成像基础，加入反射图像信息的双模式重建，可实现图像阈值优化，能连续地识别动态目标的位置和尺寸特征；透射信息与反射信息的结合不同于其他形式的多模态层析成像技术，是超声波的具体形式，集成时不会碰到需要安装不同测量手段的激励源、不同采集设备等问题，因此大幅提高透射式和反射式超声过程层析成像系统的集成度。

主权项

1.一种集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，其特征在于，n个超声换能器阵列排布在被检测物件的周围，各个超声换能器位置确定，每个超声换能器与一个对应的通道的发射和接收电路相连，超声换能器阵列工作时，一个换能器作为发射器，其他换能器和此发射器同步接收信号，并通过可编程门阵列FPGA设定发射时序来控制通道切换，将各个通道对应的换能器依次切换为发射和接收状态，其余为接收状态，所有换能器都发射一次即完成一次扫描；不停重复扫描，接收换能器接收到声波信号后经接收放大电路放大，通过高速A/D采集，再通过FPGA将各个通道的波形数据传送到微处理器ARM的存储单元，通过网线连接以太网控制器与上位机进行数据传输，后台的信号处理模块对波形数据进行处理之后送入图像重建算法，根据透射波峰值的大小，判断被检测物件路径，结合反射波在该路径的所得的渡越时间信息，确定该路径上被检测物件具体的位置，在此双模式下进行波形信息重建，对最优的图像分割阈值进行判断，最终完成流型识别；所述在此双模式下进行波形信息重建方法为同时确定每条投影路径上透射波峰值和反射回波的渡越时间，在透射波指向性明确的基础上，加入反射波对障碍物体位置信息的辅助判断，更好地约束目标物出现位置的区域，实现步骤如下：1)读取i发射换能器到j接收换能器Ti–Rj路径上透射波峰值矩阵S_Ti,Rj和反射回波的渡越时间T_Ti,Rj，单位为s，以及声速v，单位为m/s；其中式中，其中i、j表示的是发射换能器编号和接收换能器的编号，V_Ti,Rj是Ti–Rj路径上的衰减后信号幅值与背景信号幅值的比值；V_T是信号阈值；2)若i＝j,置S_Ti,Rj＝0，执行下一步；3)若i≠j且S_Ti,Rj＝0，读入该对应路径上的自发自收换能器所获得的渡越时间T_Ti,Ri，取圆弧的外侧，即凸面侧，与Mj，M(j‑1)，Ti所围成的区域为新的区域，图像矩阵对此区域增加权重“2”，表示存在被测物体的可能较大，Ti为第i个发射换能器位置，Mj为第j+1和第j接收换能器间隔的中点位置，M(j‑1)为第j和第j‑1接收换能器间隔的中点位置；圆弧的圆心位于发射换能器位置，圆弧直径为该自发自收回波在渡越时间内传播的距离；4)若i≠j且S_Ti,Rj＝1，读入该对应路径上的接收换能器所获得的渡越时间T_Ti,Rj，取椭圆弧的内侧，即凹面侧，与Mj，M(j‑1)，Ti所围成的区域为新的区域，图像矩阵对此区域增加权重“1”，表示存在被测物体的可能较小；椭圆弧的椭圆焦点为发射、接收换能器的位置，椭圆弧上的点到两焦点的距离之和为该接收换能器接收回波信号的在渡越时间内传播的距离；所述对最优的图像分割阈值进行判断，是将透射式层析成像作为成像的基础，加入反射重建图像的补充信息，首先，对透射式不施加图像阈值矩阵作用，获得透射原始强度图像；通过搜索反射强度图像的最大权重值，获得在反射图像上被测物轮廓的位置；最后，求解被测物轮廓的位置在原始透射强度图像上的权重值；其通过搜索反射强度图像的最大权重值，获得在反射图像上被测物轮廓的位置数学过程为：式中，V(x_r,y_r)为被测物轮廓的位置在原始透射强度图像上的权重值，n为超声换能器阵列中超声换能器的个数，n＝8；M_Ti,Rj为Ti–Rj路径上所定义的标准化敏感系数矩阵；(x_r,y_r)是反射强度图像上被测物轮廓的位置，假设可以获得单一反射式重建图像的被测物体轮廓的个数为m，利用轮廓的位置的辅助信息，将其施加到透射式重建过程中，实现对重建过程最优图像阈值的求解；采用最小二乘拟合的方法求解透射重建图像的最优阈值T_opt，其数学计算过程如下：其中,运算符号min的功能是使得其作用的表达式取得最小值；解得T_opt之后，将透射原始图像的权重值V(x，y)与T_opt进行比较，将图像分割为两个部分，分割后的图像为：若V(x，y)>T_opt为黑，V(x，y)<T_opt为白，即为通常所说的图像二值化，以获得更为直观的流型图像。