[发明专利]正则化加权最小二乘的透射反射双模式超声成像重建方法

说明书

本发明涉及一种正则化加权最小二乘的透射反射双模式超声成像重建方法，包括下列步骤：步骤一：获取边界测量值：在被测场域外表面均匀布置一定数量的超声换能器，并分别使用正弦连续波电压与两周期脉冲波电压对发射探头进行激励。步骤二：基于收发超声探头相对几何位置进行直线投影。在透射模式下使用同步代数重建方法SART进行透射预成像。步骤三：使用透射预成像结果对全部收发探头的边界反射点进行聚类分析和曲线拟合，得到光滑内含物边界拟合轮廓，根据轮廓构建边界点约束方程。步骤四：对目标函数使用预优近端梯度下降法进行求解。

技术领域

本发明属于超声层析成像技术领域，涉及实现一种利用正则化加权最小二乘的透射反射双模式超声层析成像重建方法，用于实现被测物场两相介质分布的重建与可视化表征。

背景技术

超声层析成像技术(Ultrasonic Tomography,UT)是一种结构性成像技术，其通过对布置于被测场域外的超声传感器阵列施加一定的激励，并记录传感器接收到的时变电压信号，结合图像重建算法对被测场域内折射系数、衰减系数或声阻抗分布等参数进行可视化表征。相比其他成像方法如电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)、电磁层析成像(Magnetic Impedance Tomography,MIT)、X射线层析成像(X-ray ComputedTomography,X-CT)及光学层析成像方法(Optical Coherence Tomography,OCT)，UT具有成本低、使用安全、结构简单、成像速度快等优势，是一种较为理想的过程可视化检测手段，在多相流可视化检测、化工石油输送、航空发动机探查以及生物医学诊断中均有广泛的应用。

超声层析成像主要包含三个部分：超声换能器阵列、信号激励与采集系统、超声成像图像重建算法。其中超声成像算法通过对从采集系统得到的换能器接收信号进行处理，通过解调提取测量幅值或渡越时间，得到某个确定激励下的全部换能器的有效测量数据，进一步通过图像重建方法得到被测物场两相介质分布的合理估计。目前，超声成像重建算法作为一种主要利用硬场特性的成像方法，超声成像方法严重依赖于场域边界换能器的数量，其逆问题求解具有严重的病态性(对测量值得微小扰动会导致重建结果的大幅度变化)和欠定性(所需求解的方程数远小于未知量的数目，方程有无穷多解)。为克服这个问题，学者们提出了许多图像重建算法，超声层析成像图像重建方法根据其敏感效应的不同主要分为透射模式和反射模式：其中透射模式记录激励源对侧超声探头接收到的时变电压信号实现渡越时间、衰减幅值的提取，进而对介质分布进行重建；反射模式记录激励源及其同侧超声探头接收到的时变电压信号，提取渡越时间以重建两相介质中离散相边界位置，提取信号幅值以确定边界声阻抗差异。在透射模式超声成像算法研究中，典型的图像重建方法有徐立军等人1998年在《仪器仪表学报》第17卷，1-7页，发表的题为《气液两相泡状流体监测用超声层析成像系统的研究》(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《传感器与执行器》(Sensors and Actuators)第135卷，337-345页发表的题为《超声透射层析成像技术对液体、气体的非侵入性成像》(Non-invasiveimaging of liquid/gas flow using ultrasonic transmission mode tomography)的文章中提到的采用滤波函数的线性反投影方法、Rahim等人2017年在《IEEE工业电子汇刊》(IEEETransactions on Industrial Electronics)第64卷，第12期，9636-9645页发表的题为《导电管壁内气泡柱上升过程的相含率检测：仿真和实验研究》(Simulative andExperimental Studies:Void Fraction Detection in Bubble Column of a ConductingPipe)的文章中提出的超声阈值滤波方法、苏邦良等人2000年在《化学工程》(ChemicalEngineering Journal)第77卷，37-41页发表的题为《同步迭代重建技术在电容层析成像中的应用》(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；在反射模式超声成像算法研究中，典型的图像重建算法有徐春广等人在《仪表技术与传感器》2013年第4期中发表的题为《基于VC++的超声探伤仪发射端信号测量与处理系统》的文章中提出的反射式超声椭圆成像算法、Langener等人2017年在《流动测量与仪表》(Flow Measurementand Instrumentation)第53卷，107-115页发表的题为《一种基于超声反射重建技术的实时超声过程层析成像系统》(Areal-time ultrasound process tomography system usingareflection mode reconstruction technique)的文章中提出的基于路径追踪的超声反射图像重建算法。