基于時(shí)空變換的CT界面快速定位方法研究

李彥君，宋文愛(ài)，楊順民

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

層析成像技術(shù)（Computed tomography）是利用從物體外部檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)重建物體的內(nèi)部（橫斷面）信息的技術(shù)，我們也稱(chēng)之為計(jì)算機(jī)輔助斷層成像技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)CT。該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于多種能量波和粒子束:如X射線(xiàn)、質(zhì)子、電子、超聲波等。當(dāng)CT應(yīng)用的能量波為超聲波時(shí)，就稱(chēng)為超聲層析成像（UCT）［1］。

為了準(zhǔn)確并且快速地進(jìn)行超聲CT成像，快速掃描信號(hào)特征就具有重大的意義，本文通過(guò)對(duì)超聲相控陣信號(hào)族進(jìn)行灰度成像，得到各個(gè)反射截面的灰度圖，從而可以更加直觀迅速地找到散射截面。

1 相控陣技術(shù)原理

在采用陣列探頭檢測(cè)的時(shí)候，各個(gè)陣元分別具有獨(dú)立的發(fā)射和接收電路，通過(guò)控制每個(gè)通道的發(fā)射和接收延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)聲束的控制，這就是相控陣超聲檢測(cè)。具體分為相控陣發(fā)射和相控陣接收。

相控陣發(fā)射時(shí)，分別調(diào)整各個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的波形、幅度和相位延遲，使各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，形成發(fā)射聲束聚焦和聲束偏轉(zhuǎn)等效果。

在圖1（a）中的陣列換能器各陣元的激勵(lì)時(shí)序是:兩端陣元先激勵(lì)，逐漸向中間陣元加大延遲，使合成的波陣面指向一個(gè)曲率中心，即發(fā)射相控聚焦。

在圖1（b）中的陣列換能器各陣元的激勵(lì)時(shí)序是:等間隔增加發(fā)射延遲，使合成波陣面具有一個(gè)指向角，即形成發(fā)射聲束相控偏轉(zhuǎn)效果［2］。

相控陣接收時(shí)，換能器發(fā)射的超聲波遇到目標(biāo)后產(chǎn)生回波信號(hào)，其到達(dá)各陣元的時(shí)間存在差異。按照回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對(duì)各陣元接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后進(jìn)行聲束合成，就能將特定位置回波信號(hào)通過(guò)疊加增強(qiáng)，而其它方向的回波信號(hào)減弱甚至抵消［3］。相控陣接收的原理如圖2所示。

圖1 發(fā)射相控聚焦與偏轉(zhuǎn)控制示意圖

圖2 接收相控陣原理圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3中標(biāo)出了可能引起散射的界面。界面1是半徑為100 mm的圓弧界面，界面2是深度為91 mm的水平界面，界面3是高度為6 mm的豎直界面，界面4是深度為85 mm，寬度為2 mm的水平界面，界面5是高度為15 mm的豎直界面，界面6是深度為100 mm的水平界面。

如圖4，將相控陣信號(hào)族壓縮為灰度圖。以橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為陣元的位置，單陣列發(fā)射的信號(hào)幅度值作為其灰度值成像。

具體圖4中標(biāo)出了可以準(zhǔn)確識(shí)別的散射波前，其中1對(duì)應(yīng)的為圖3中界面1的散射波前，2為界面2的散射波前，3為界面3形成的散射波前，4為界面2的散射波前，5為界面5形成的散射波前，6為界面6的散射波前，其他尚未準(zhǔn)確識(shí)別的散射波前未標(biāo)出。

圖3 超聲散射CT的實(shí)驗(yàn)樣品及傳感器布置

圖4 0，12，24，36，47號(hào)陣元發(fā)射其他所有接收信號(hào)灰度圖

通過(guò)對(duì)灰度圖做一維投影，得到單陣元發(fā)射49陣元接收的信號(hào)和圖，以13號(hào)陣元為例，如圖5。

由圖5中圖像的投影分布，可見(jiàn)散射界面應(yīng)位于投影分布的各個(gè)峰值處，因此在投影分布圖中找到對(duì)應(yīng)的峰值，就能確定是散射界面。具體的算法如下:

（1）對(duì)灰度圖進(jìn)行一維投影處理，即沿圖像進(jìn)行灰度值的累加，得到圖像投影的分布圖。

（2）從左向右搜索，通過(guò)動(dòng)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(duì)應(yīng)的時(shí)間軸位置，就找到了散射界面的對(duì)應(yīng)位置［4］。

圖5 信號(hào)和圖

3 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用時(shí)空壓縮的方法，將利用虛擬相控陣采集得到的超聲陣列信號(hào)集（波列），變換成位置和時(shí)間的二維灰度圖，再將其投影到時(shí)間軸上，通過(guò)研究一維的灰度投影的特征，達(dá)到快速識(shí)別是否存在散射界面，并確定散射源產(chǎn)生的信號(hào)在時(shí)間軸上粗略位置，將得到的信號(hào)特征進(jìn)行自動(dòng)搜索，即可快速找到散射界面。

［1］鐘志民，梅德松.超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，24（2）:67-72.

［2］張蕾，宋文愛(ài)，楊順民.超聲散射CT技術(shù)發(fā)展綜述［J］.CT理論及應(yīng)用研究，2011:415-427.

［3］原可義.超聲散射CT聲成像方法研究［D］.清華大學(xué)，2008.

［4］楊奕.超聲相控陣檢查方法研究［J］.清華大學(xué)，2003.