一种采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像方法与流程

1.本发明涉及一种采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像系统和方法。


背景技术：

2.目前，超声成像系统多为采用一维线性阵列探头的二维成像系统，所谓的三维成像系统，都是由这些按不同时间得到的二维图像拼接得到的假三维图像。
3.另外，也由一些真正的三维超声成像系统，这些系统，是靠二维面阵探头，发射二位面波，进行三维成像得到的真三维图像。但是，制造二维面阵探头，因制造技术及工艺及其复杂，导致成本极其昂贵。另外，也有一些采用三个线性阵列的1.5维的探头的所为2.5维成像系统。但是，在与线阵探头的垂直方向，只有两个靠机械凌镜探头得到的两个固定聚焦点的2.5维成像系统。
4.关于相干干涉成像方法，在超声成像工业，典型的有美国专利(us21500342567a1)，该专利的方法是二维超声成像，当然，该专利也提到可以应用到三维，但是，该专利的方法是采用两次以上发射的宽波束得的发射通道的帧幅图像之间进行协方差测量，进而由测量的协方差计算出干涉得到干涉的图。
5.另外，在天体物理的观测中，也对相干成像进行过广泛的研究(https：//people.csail.mit.edu/klbouman/pw/papers_and_present ations/cvpr2016_bouman.pdf)，它们的理论基础是vancittert-zernike理论，第一，该理论是基于远场近似，第二，成像辐射源是自然的天体物体，第三，接收到的信号是电磁或光。


技术实现要素：

6.本发明设计了一种采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像方法，其解决的技术问题是现有超声成像系统是由按不同时间得到的二维图像拼接得到的假三维图像，并非真三维图像。
7.为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
8.一种采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像方法，包括以下步骤：步骤1、设置多列的一维线性阵列超声传感器组成二维面阵列超声传感器；步骤2、由一个一维的线性阵列超声传感器对成像目标发射多组不同方向的宽波束声波，同时将由步骤1所设置二维阵列接收器收到的反射信号通道数据进行ad转换；步骤3、处理器对所述转换后的通道数据做fourier变换，得到数据的各个频率分量，形成相干数据及闭环相干数据步骤4、采用优化求解目标函数j(i)的最小二乘解，得到散射强度的重建图像i；步骤5、将重建图像i进行扫描长宽比例尺寸转换得到用于显示的图像像素值，最后送显示装置进行显示。
9.本发明方法通过由某个线性声探头在探头主平面发射一宽波束声波，并通过由多个线性阵列探头组成的二维面的声波接收传感器基元接收到的通道信号，建立成像面的散射强度与其中的两个不同通道的频率信号的相干值的数学物理积分方程关系，通过直接离
散求解这一数学物理积分方程，而得到成像面的散射强度在每个显示像素上的重建值，对这些散射强度的重建值进行扫描显示格式及尺寸的转换，送给显示器进行显示。这只是完成了三维成像重建的一个二维成像面的图像重建。为得到三维的重建图像，通过在一个方向匀速的移动由多个线性阵列探头组成的二维面阵列探头，同时连续的采用前叙的图像重建方法即可重建得到的三维图像的其中一幅图像和整个被扫描目标的三维重建图像。
10.优选地，所述步骤1中沿一个任意方向匀速的移动二维面阵列超声传感器完成了对成像目标的扫描。
11.优选地，所述步骤2中所述二维发射器对成像目标的成像平面发射宽波束并且在与成像平面垂直方向发射由探头本身在该方向的几何透镜产生的聚焦波束的超声波。
12.4、根据权利要求1-3中任何一项所述的采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像方法，其特征在于：步骤3中所述相干数据为：
[0013]vij
＝v(ω
l
，ri，rj)＝《u(ri，ω
l
)u
*
(rj，ω
l
)》＝u(ri，ω
l
)u
*
(rj，ω
l
)
[0014]
优选地，步骤3中所述的闭环相干数据计算公式如下：
[0015]
针对非均匀性导致相位偏差，对于在这些线性阵列组成的接收器中的第i和第j个接收器，分别引进一较正相位值和得到的实际测量的为：
[0016][0017]
通过将三种不同接收器得到的相干值v
ij
，v
jk
和v
ki
相乘，得到一个对非均匀介质不变的表达，由于未知相位偏差被消除，得到：
[0018][0019]
优选地，所述步骤4中的最小二乘解计算方法如下：
[0020]
j＝||gi-d||2→
min
[0021][0022]
其中β是权重因子(0≤β≤1)，或采用反投影方法求解方程，如下：
[0023][0024]
或
[0025][0026]
其中zn是g
kn
(1≤k≤k)的非零数，β是权重因子(0≤β≤1)。
[0027]
优选地，所述步骤4中散射强度的重建图像i计算方法如下：
[0028]
v(ω，ri，rj)＝∫i(r，ω)g(r，ri，rj，ω)ds
[0029]
其中，v(ω，ri，rj)＝《u(ri，ω)u
*
(rj，ω)》＝u(ri，ω)u
*
(rj，ω)，v
ij
＝v(ω，ri，rj)，
[0030]
i(r，ω)＝《p(r，ω)p*(r，ω)》
[0031]
通过把上方程离散数子化，得到：
[0032]
(g
kn
)
kn
(in)n＝(dk)k；
[0033]
g i＝d
[0034]
其中，n是成像平面的n个像数，n为第n个像数；k为总数据对，即(i，j)的组合数；若每次发射波束，共有l个接收器，有in是i(r，ω)在第n个像数的值，g
kn
是对应于第k(i，j)对相干数据的g(r，ri，rj，ω)在第n个像数的值，dk是第k(i，j)对相干数据v(ω，ri，rj)的测量值。
[0035]
一种采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像系统，其特征在于：包括二维发射与接收器阵列、模数转换器、中心处理器以及显示器，所述二维发射与接收器阵列由多列线性阵列超声传感器组成，由某个一维发射器对成像目标发射多组不同方向的宽波束声波，二维接收器收到的反射信号通道数据；所述模数转换器，其用于将反射信号通道数据进行ad转换；所述中心处理器，其通过对ad转换后的数据进行fourier变换，得到数据的各个频率分量，并形成相干数据对以及闭环数据，通过最优化方法叠代求解目标函数的最小二乘解，即可得到散射强度的重建真三维图像；所述显示器，其用于显示重建真三维图像。
[0036]
优选地，多列线性阵列超声传感器相互平行设置，并且它们之间的间距可以调整。
[0037]
优选地，所述中心处理器可以是gpu、dsp、fpga、cpu以及各种数据处理芯片中的一种。
[0038]
该采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像系统和方法相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0039]
(1)本发明三维超声成像系统的二维阵列超声探头是由多个一维线性超声阵列超声探头组成，与二维密集基元的面阵超声探头相比，制造成本和工艺大降低。
[0040]
(2)本发明在相干成像方面，克服了以前方法远场近似所带来的误差。另外通过采用该成像系统得到的闭环相干数据，可以校正成像目标的散射信号到达接收器路经因介质的非均匀性引起的相位误差，从而提高成像分辨率和精度。
附图说明
[0041]
图1是本发明采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像系统的构成方框示意图；
[0042]
图2是本发明多列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列工作示意图；
[0043]
图3是图2侧面示意图；
[0044]
图4是本发明相干成像的实施步骤方框示意图；
[0045]
图5是本发明多个列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列a示意图；
[0046]
图6是本发明多个列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列b示意图；
[0047]
图7是本发明多个列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列c示
意图；
[0048]
图8是本发明多个列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列d示意图；
[0049]
图9是本发明多个列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列e示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合图1至图9，对本发明做进一步说明：
[0051]
本发明因采用了由多个线性阵列探头组成的二维面阵列超声传感器探头完成对三维成像目标的扫描成像，代替了目前传统的一维线性超声探头进行的二维成像的发法，得到的接收数据是由二维面阵列超声传感器探头所接收到的通道数据，它们所包含了成像目标的空间三维信息，通过对成像目标的进行多次发射宽波束超声信号，并静态或动态的调整接收器之间的间距，由这些接收器所得到的数据按本发明所描叙的方法得到的不同接收器间的相干数据和闭环相干数据，并采用本发明的三维成像反演方法对该目标的散射强度进行三维图像重建，再匀速的延着某个方向移动本发明所描述的由多个线性阵列探头组成的二维面阵列超声传感器探头对成像目标进行扫描成像，即可获得成像目标的真三维图像重建及成像显示。另外，在本发明中采用的闭环相干数据的重建反演方法，因可消除因超声波传播路经的速度非均匀引起的相干数据的实际相位与理论相位之间的差异，从而使得三维图像重建空间分辨率得以提高。
[0052]
在本发明通过沿一个方向匀速的移动由多个线性阵列探头组成的二维面阵列超声传感器探头，来采集通道数据，直接对建立相干数据与散射强度关系的相干散射积分方程离散化，通过求解该离散方程的最小二乘解，而得到散射强度的三维重建图像的某一幅图像，沿一个方向匀速的移动由多个线性阵列探头组成的二维面阵列超声传感器探头完成了对三维成像目标的扫描，整个成像目标的三维重建图像即可获得。
[0053]
成像面的散射强度，是通过由多个线性阵列探头组成的二维面的声波接收传感器阵列中的某个探头对成像面目标发射宽波束超声波，经成像目标的反射，而形成被成像的散射强度，并通过该二维面的声波接收传感器阵列接收到来自成像目标的各方向的反射信号，由两个，或三个或更多不同通道的传感基元接收的频域信号组成相干数据及闭环数据，通过这些数据反演成像散射强度。
[0054]
如图1和图4所示，一种采用多个线性阵列声传感器的三维超声干涉成像系统，包括二维发射与接收器阵列、模数转换器、中心处理器以及显示器，二维发射与接收器阵列由多列线性阵列超声传感器组成，由某个一维发射器对成像目标发射多组不同方向的宽波束声波，二维接收器收到的反射信号通道数据；模数转换器，其用于将反射信号通道数据进行ad转换；中心处理器，其通过对ad转换后的数据进行fourier变换，得到数据的各个频率分量，并形成相干数据对以及闭环数据，通过最优化方法叠代求解目标函数的最小二乘解，即可得到散射强度的重建真三维图像；显示器，其用于显示重建真三维图像。
[0055]
如图2和图3所示，由a线性阵列发射多个不同发向的宽束超声波，其覆盖的成像区内的任何一点r处的发射入射压力波场为u
in
(r，ω)，在三维空间的任何一处r所收到的压力波场如方程(1)所示：
[0056]
u(r，ω)＝∫[o(r)u
in
(r，ω)]e-iω(|r-r|/c)
/|r-r|ds
ꢀꢀ
(1)
[0057]
u(r，ω)＝∫[p(r，ω)]e-iω(|r-r|/c)
/|r-r|ds
ꢀꢀꢀ
(2)
[0058]
其中p(r，ω)＝o(r)u
in
(r，ω)。
[0059]
假定有两个不同的接收器位于ri和rj，收到的信号为分别为：
[0060][0061][0062]
由r处引起的位于r1和r2处的压力场的复互相关为：
[0063][0064]
其中上标星号表示复共轭，注意，假设源是空间非相干的，这意味着当r与r’不相等时，《p(r，ω)p*(r
′
，ω)》为零。
[0065][0066]
v(ω，ri，rj)＝∫i(r，ω)g(r，ri，rj，ω)ds (7)
[0067]
其中，v
ij
＝v(ω，ri，rj)＝《u(ri，ω)u
*
(rj，ω)》＝u(ri，ω)u
*
(rj，ω)，
[0068]
i(r，ω)＝《p(r，ω)p*(r，ω)》
[0069]
通过把上方程(6)离散数子化，可得到：
[0070]
(g
kn
)
kn
(in)n＝(dk)
k (8)
[0071]
g i＝d
ꢀꢀ
(9)
[0072]
其中，n是成像平面的n个像数，n为第n个像数；k为总数据对，即(i，j)的组合数；若每次发射波束，共有l个接收器，有，in是i(r，ω)在第n个像数的值，g
kn
是对应于第k(i，j)对相干数据的g(r，ri，rj，ω)在第n个像数的值，dk是第k(i，j)对相干数据v(ω，ri，rj)的测量值。i可以通过下面的方法求解得到：
[0073]
1、最小二乘解：
[0074]
j＝||gi-d||2→
min
ꢀꢀ
(10)
[0075][0076]
其中β是权重因子(0≤β≤1).也可以采用反投影方法求解方程，如下：
[0077][0078]
或
[0079][0080]
其中，zn是g
kn
(1≤k≤k)的非零数，β是权重因子(0≤β≤1)。
[0081]
2、闭环相干数据方法：
[0082]
到目前为止，所有方程均假设为声波通过均匀介质从散射源传播到接收器。然而，被成像介质中的非均匀性导致了这种情况声波以不同的速度向每个接收器传播。这些延迟对测量的结果有显着影响。虽然不能使用绝对相位测量，若采用闭环相干数据方法将使我们可以从相位中恢复一些被失真的信息。
[0083]
针对非均匀性导致相位偏差，对于在这些线性阵列组成的接收器中的第i和第j个接收器，分别引进一较正相位值和得到的实际测量的为：
[0084][0085]
通过将三种不同接收器得到的相干值v
ij
，v
jk
和v
ki
相乘，得到一个对非均匀介质不变的表达，由于未知相位偏差被消除，可得到
[0086][0087]
由上式可见，闭环相干数据方法得到的相干成像数据对非均匀介质时不变；但是，代价是它减少了可用于图像重建的约束数量。虽然nr个接收器中三对的数量是独立值的数量仅为
[0088]
可得到l个观测数据，对应可得到的闭环相干数据计算值
[0089]
定义：
[0090][0091][0092][0093]
分别是闭环相干数据的观测值和计算值的振幅，分别是闭环相干数据的观测值和计算值的相位。
[0094]
定义：
[0095]
j1(i)＝||v
ob-v
cal
||2→
min (16)
[0096]
j2(i)＝||amp
ob-amp
cal
||2→
min (17)
[0097][0098]
通过各种最优化求解方法，即可得到图像重建值i＝[i1，i2，
…
，in]，in为第n个像素的成像值。
[0099]
如图5所示，多个线性阵列探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列a，其中b系列超声探头与a系列超声探头垂直排列。
[0100]
如图6所示，多列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列b，其中b系列超声探头与a系列超声探头垂直排列，b系列超声探头可以有大于或等于2，它们之间的间距可以变化调整。
[0101]
如图7所示，多列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列c，其中a系列超声探头之间并行排列，a系列超声探头可以有大于或等于2，它们之间的间距可以变化调整。
[0102]
如图8所示，多列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列d，其中a系列超声探头之间并行排列，a系列超声探头可以有大于或等于2，它们之间的间距可以变化调整，b系列超声探头与a系列超声探头垂直排列。
[0103]
如图9所示，多列线性探头进行三维相干成像的发射与接收器的组合阵列e，其中a系列超声探头之间并行排列，a系列超声探头可以有大于或等于2，它们之间的间距可以变化调整，b系列超声探头与a系列超声探头垂直排列，b系列超声探头可以有大于或等于2，它们之间的间距可以变化调整。
[0104]
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。