虛擬相控陣超聲散射CT成像中的散射面定位研究

郭禹姬，宋文愛

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 太原 030051)

0 引言

虛擬相控陣超聲散射CT成像方法，不需要反投影重構(gòu)，在一定程度上彌補了線性超聲CT方法由于線性假設(shè)或弱散射假設(shè)帶來的不足，提高了超聲檢測的空間分辨率力。但是由于該方法需要綜合考慮幅值和相位信息，所以需要對虛擬相控陣中的每一個陣元發(fā)射、其余陣元接收（包括發(fā)射陣元本身接收）到的所有信號進行處理，信息量較大，所以影響了成像的速度。為了快速而且準確進行超聲CT成像，如何快速查找掃描區(qū)域（檢測區(qū)域）內(nèi)存在的散射源，是提高成像速度和成像質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。

本文通過時間壓縮的方法，對信號進行壓縮，通過相移得到的信號簇一維壓縮，能準確找到散射界面在時間軸上的位置，并通過頻域信號的觀察對界面的空間位置達到相位定位。

1 相控陣成像技術(shù)介紹

在探測區(qū)域相互垂直的兩個邊分別排列一個m元的線性超聲陣列探頭（根據(jù)情況也可以扇形超聲陣列探頭）每個探頭陣元均可以作為發(fā)射和接收陣元，當(dāng)水平放置的陣列的第i個單元發(fā)射，垂直放置的陣元j（j=1，2，…，）接收時，其發(fā)射和接收示意圖如圖1所示[2]。

圖1 水平單陣元發(fā)射，垂直各陣元接收示意圖

采集到的信號是圖4試塊的時間序列示意圖如圖2所示。

圖2 24號陣元發(fā)射其他所有陣元接收原信號簇

圖3 掃描區(qū)域內(nèi)任意散射點P與其距離最近接收陣元關(guān)系示意圖

2 時間壓縮

當(dāng)檢測或掃描區(qū)域內(nèi)存在散射源時，接收信號的幅值增大，在相應(yīng)的接收陣元上出現(xiàn)局部最大值點，最大值點出現(xiàn)以前的接收序列開始段或反方向椎大值點出現(xiàn)以后的結(jié)尾段，認為是冗余信號，可以進行壓縮。

由于接收到的散射信號存在一定的相位差，為減小計算誤差、時間壓縮后不丟失有用的信息，所以nmin和nmax分別向左、向右移動2。

這樣對于所獲得的所有波列的時間序列的時間值均壓縮到以n= nmin為起點，n= nmax為終點的范圍內(nèi)，并以該范圍內(nèi)的每個時間采樣點作為灰度圖像的坐標y。圖2信號壓縮后信號如圖5(a)。

3 實驗

圖4所示的鈦合金CSK-IA試塊為本文所研究的檢測對象。圖4中標出了試塊的尺寸以及陣列傳感器的布置區(qū)域。圖4中，陣列傳感器A具有49個陣元，陣元寬度為1mm。傳感器頻率為6．25MHz,在被檢試塊中的波長近似為1mm。

圖4中還標出了可能引起散射的界面。界面1為半徑100mm的圓弧界面，界面2為深度91mm的水平界面，界面3為高度為6mm的豎直界面，界面4為深度85mm,寬度2mm 的水平界面，界面5為高度15mm的豎直界面，界面6為深度100mm的水平界面。

圖4 超聲散射CT的實驗樣品及傳感器布置

我們對陣列傳感器A所獲得的信號進行處理，圖5所示為24號晶片發(fā)射超聲波所有晶片接收到的回波信號組圖。圖5(a)表示接收到的原始回波信號，由于界面4在24號陣元的正下方，而且界面4與探頭具體舉例最小，從圖中可以看到界面4信號最早反射回來，且24號陣元最先接收到信號，圖5(b)所示為原始回波信號的沒有經(jīng)過移相的所有49個信號的累加和，可以看出由于各個信號之間存在相位差，疊加后信號的幅值并不大。圖5(c)表示為根據(jù)協(xié)方差法對每一條信號線移相后的結(jié)果，從圖中可以看出，移相后的各個信號在相位上基本保持一致。圖5(d)為移相后的所有信號的累加和，與圖5(b)相比，信號幅值提高一倍多。

根據(jù)圖5(d)中圖像的投影分布，可以看到散射界面應(yīng)該位于投影分布的各個峰值處，因此找到投影分布圖中找到對應(yīng)的峰值，就可以確定是散射界面。具體算法如下：

(1)對灰度圖進行一維投影，即沿圖像進行灰度值的累加，得到圖像投影分布圖。

(2)從左向右搜索，通過動態(tài)選取閾值法找到不同區(qū)間的極大值，根據(jù)極大值對應(yīng)的時間軸位置，即可找到散射界面相應(yīng)位置。

為了對散射界面的位置更加準確識別，對已經(jīng)找到的散射區(qū)域做傅立葉變換。如圖6所示。

由圖6分析可以得出，49個陣元發(fā)射所在各個界面的傅立葉變換結(jié)果可以得出，峰值數(shù)不同，散射界面的個數(shù)也不同。圖6(a),(d)只有一個峰值，表示所在界面4，(b)有兩個峰值，表示界面2與界面3，依次類推。

通過傅里葉變換變換結(jié)果，可以得知這個界面在空間上的相對位置。

圖5 24號晶片發(fā)射所有晶片接收回波信號組圖

圖6 12號陣元，36號陣元三個散射區(qū)域傅立葉變換結(jié)果

4 結(jié)論

通過時間壓縮，時移方法能夠快速找到散射界面在時間軸上的位置，從而為超聲CT快速成像打下基礎(chǔ)。

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