基於超聲交織編程的速度分布測量方法
2023-04-29 09:01:06 1
專利名稱：基於超聲交織編程的速度分布測量方法
技術領域：
本發明涉及一種利用交織編程原理採集超聲射頻信號進行速度場測量的方法。
背景技術：
超聲成像測速技術是一種非侵入式流場測量技術，可以實現非透明流質和流道壁速度場的測量，能夠用來精確測量臨床上血液流場，實現人體內血液複雜流場分布的實時測量，對各種心血管疾病準確診斷和臨床研究具有重要意義。超聲成像測速過程中所使用的線性超聲探頭由多個單元陣列組成，在進行圖像採集時首先一組單元陣列通過高頻信號發生電路激發換能器在測量區域產生超聲波，然後接收超聲回波信號(又被稱為射頻RF信號)，產生超聲圖像中的一列。然後下一組新的單元陣 列按照該方式繼續採樣產生超聲圖像的第二列，按照同樣方式依次掃描，當所有超聲探頭單元陣列掃描流場以後將產生一張完整的超聲圖像，所產生的超聲圖像是由多條經連續取樣方式產生的RF信號組成。常見的線性超聲探頭是由128個單元構成的陣列，採集的原始圖像由128條RF信號線組成。最後通過對所獲得的超聲粒子射頻圖像作粒子圖像測速法(PIV)互相關分析，獲取各個位置處流體的流動速度。然而目前連續取樣方式受超聲設備採樣頻率的限制，只能獲得較低流速下速度場的分布，對於流體速度較大情況下所得計算結果誤差較大。例如利用圖像採集幀率f=250Hz(目前常用超聲設備圖像採集幀率為f=200-500Hz之間)的超聲設備，從左向右掃描人體頸動脈中血液流場，設定在流場中示蹤材料(造影劑)的移動速度與人體頸動脈處實際血液流動具有相同的流速U=lm/s。對於由n=128條線組成的超聲圖像,獲取圖像的第一條線至最後一條線之間的時間差為T，即獲得一幀圖像所花費的時間周期為T=l/f=4ms。假設所採集得到的超聲粒子圖像寬度為L=5cm(實際使用的探頭寬度)，則其橫向解析度可表示為dx=L/n=0. 39mm即每條掃描線的寬度為O. 39mm。示蹤粒子在T時間內的位置偏移Dx=U/f=l/250=4mm，相當於10. 3倍掃描線的寬度，此較大位移對於傳統的光學粒子圖像測速法分析是可以接受的，但在超聲成像技術中，採集到的是氣泡的散斑圖像，噪音較大。粒子位移過大會導致PIV互相關運算時問詢窗口內找不到匹配粒子圖像對，從而使根據粒子圖像測速法互相關運算所得的速度存在較大誤差。如要達到理想狀態下粒子偏移量僅是幾條線的寬度，圖像採集幀率f至少需增加三倍，因此需要使用更加先進的超聲設備才能滿足此要求，將會大大增加硬體成本。即便昂貴設備可以實現多條線同時掃描，提高圖像的採集幀率，在一幀圖像採集時間內使粒子偏移量減少至幾條線的寬度，卻存在流動過採樣的缺點，例如一個典型的心動周期持續時間約為I秒，若以750-1000HZ的頻率取樣將產生大量的冗餘數據，因為即使圖像採集幀率比上述圖像採集幀率降低一個數量級，也足夠分辨心臟血液動力學特性。綜上所述，目前缺乏以當前超聲粒子成像硬體設備為基礎，可以克服較高流速條件下粒子位移偏量過大的限制，獲得流體流速較大情況下的二維流場分布的測速方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於超聲交織編程的速度分布測量方法，該方法可以得到較高流速狀態下流體的速度場；該方法以當前超聲粒子成像硬體設備為基礎，克服流速較高條件下連續採樣過程中粒子位移偏移量過高的限制，不增加硬體成本，同時提高測速的動態範圍。為了實現以上目的，本發明所採用的技術方案是基於超聲交織編程的速度分布測量方法，包括以下步驟I)向待測流體中添加示蹤劑；2)控制器控制高頻超聲換能器按照交織編程方式向外發射高頻超聲波信號，並採集流體中示蹤劑的背向散射射頻信號；設超聲成像測速系統中超聲探頭由η個單元構成，按線掃描的方式來記錄每幀圖像；設一幅圖像由η條掃描線構成，其中a表示掃描線所在位置，取值範圍為[1，n]，b表示採集該條掃描線時所處的時間單元，取值範圍為[l，n];交織編程方式採集圖像時，具體方法如下在第I時間單元採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為Lll ;在第2時間單元仍採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為L12 ；在第3時間單元採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L23 ;在第4時間單元仍採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L24 ;以此類推，在第2n-l時間單元採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln (2n-l);在第2n時間單元仍採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln (2n);交織編程方法採集到的圖像由(Lll，L12, L23, L24,…，Ln (2n_l)，Ln (2n))組成，包含2n列；3)在步驟2)的基礎之上，對交織編程方法採集的交織射頻圖像解耦，即可獲得圖像對；所述的交織編程方法採集的交織射頻圖像解耦具體實現方法如下抽取步驟2) 圖中第1，3，5·:2η-1時間單元所採集到的圖像列構成圖像1(L11，L23，L35，…Ln(2n_l))，抽取第2，4，6唚211時間單元所採集到的圖像列構成圖像2 (L12，L24，L36，…Ln(2n));4)在步驟3)的基礎之上，將上述交織編程方法採集到的兩幀射頻信號圖像I和圖像2劃分成多個分析窗口即詢問窗口，接著對詢問窗口進行傅立葉空間內的二維互相關運算以得到該處示蹤劑的局部位移，再根據兩幀圖像的時間間隔At，則可以計算得到速度向量即位移除以時間At。所述的示蹤劑是造影微泡或造影劑。高頻超聲換能器可以發送高頻信號同時接受該反射信號，其中發送高頻信號由超聲探頭中的聞頻超聲換能器完成，聞頻超聲換能器是本技術領域現有技術不做詳細描述。本發明的步驟I)與步驟4)屬於本技術領域公知技術，在本發明中不作詳細描述。與現有技術相比，本發明的優點在於本發明所提出的利用交織編程原理進行超聲成像測速的方法，克服流速較高條件下連續採樣過程中粒子位移偏移量過高的限制，不增加硬體成本，大大提高所測流速的動態範圍，使超聲測速技術的應用範圍進一步擴大，不僅可以用於醫學上心血管內血流動力學參數的獲取，而且還可用於一般尺度非透明流體成像和多相流測量領域，例如石油工業中油氣的輸送，化學藥物溶解監測，海岸工程學研究和分析，江河入海口及海岸線的環境管理等。
圖1是傳統順序掃描方式採集第一幀圖像示意圖；圖2是傳統順序掃描方式採集第二幀圖像示意圖；圖3是交織編程成像法獲取圖像示意圖；圖4是計算速度向量場示意圖；
圖5是基於超聲交織編程的速度分布測量方法的流程圖；圖6是測速實驗系統示意圖；圖7是按照傳統順序掃描方式進行超聲成像測速獲取的二維速度場；圖8是採用本發明交織編程原理進行超聲成像測速得到的二維速度場。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。基於超聲交織編程的速度分布測量方法，包括以下步驟I)向待測流體中添加示蹤劑，示蹤劑可以是造影微泡或其它聲學性能較好的造影劑。2)通過計算機控制高頻超聲換能器按照交織編程的方式向外發射高頻超聲波信號，並採集流體中示蹤劑的背向散射射頻信號。傳統順序掃描方式與交織編程方式獲取射頻信號圖像的區別之處在於假定超聲成像測速系統中超聲探頭由η個單元構成，按線掃描的方式來記錄每幀圖像。由於超聲造影劑微泡散射的信號是通過超聲聲束逐條掃描，再將掃描線組合在一起形成圖像，從而造成不同掃描線之間時間不同。假定一幅圖像由η條掃描線構成，定義圖像中任意一條掃描線為Lab，其中a表示掃描線所在位置，取值範圍為[1，n]，b表示採集該條掃描線時所處的時間單元，取值範圍為[l，n]。按傳統方法採集圖像時，如圖1所示，對於第一幅圖像，在第I時間單元採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為Lll ;在第2時間單元採集a=2位置處射頻信號掃描線，記為L22 ;在第3時間單元採集a=3位置處射頻信號掃描線，記為L33 ;以此類推，在第η時間單元採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Lnn。如圖2所示，對於第二幅圖像，在第n+1時間單元採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為LI (n+1);在第n+2時間單元採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L2(n+2);在第n+3時間單元採集a=3位置處的射頻信號掃描線，記為L3(n+3);以此類推，在第2n時間單元採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln(2n)。因此，按傳統方法採集射頻信號進行分析時，圖像I由(Lll，L22, L33, - ,Lnn)組成，圖像2由(LI (n+1)，L2 (n+2)，L3 (n+3), - ,Ln (2η))組成。圖像對的時間間隔為η。按交織編程成像法採集圖像時，如圖3所示，在第I時間單元採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為Lll ;在第2時間單元仍採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為L12 ；由於被測流體處於運動中，因此L11，L12上記錄了不同的示蹤劑背向散射射頻信號。在第3時間單元採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L23 ;在第4時間單元仍採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L24 ;以此類推，在第2n-l時間單元採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln (2n-l);在第2n時間單元仍採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln (2n)。交織編程法採集到的圖像由(LI 1，L12, L23, L24,…，Ln (2n_l)，Ln (2η))組成，包含2η列。3)對利用交織編程成像法採集的交織射頻圖像解耦，即可獲得圖像對。對交織編程成像法採集的射頻信號圖解耦過程如下，抽取圖3中第1，3，5… 第2η-1時間單元所採集到的圖像列構成圖像I (L11，L23，L35，…Ln(2n_l))，抽取第2,4,6- 第2n時間單元所採集到的圖像列構成圖像2 (L12, L24, L36，. . . Ln(2n))。此時，圖像對的時間間隔為I。由上述分析可見，對於高速流動的流體，若按傳統方法採集射頻信號進行分析時，圖像對的時間間隔為n，由於示蹤粒子位移過大，在第二幅圖像中無法獲得相應的匹配粒子圖像，而按交織編程成像法採集射頻信號圖並解耦分析時，圖像對的時間間隔僅為1，完全可以由圖像對獲得匹配粒子對。因此採用交織編程成像法進行分析，可以克服較高流速下粒子位移偏移量過大的限制，適用於更寬的流體測速動態範圍。
4)將圖像劃分成多個分析窗口，所有分析窗口進行互相關運算，獲得流場速度場向量圖以及速度梯度分布和壁面剪切力分布。如圖4所示，將上述交織編程成像法採集得到的兩幀射頻信號圖像劃分成多個分析窗口(詢問窗口)，接著對詢問窗口進行傅立葉空間內的二維互相關運算以得到該處示蹤劑的局部位移。如果兩幀圖像的時間間隔At已知，則可以計算得到速度向量(位移除以時間At)。對所有的分析窗口進行互相關運算，就可以得到二維的速度向量場。速度梯度分布和壁面剪切力分布可由速度向量場經計算獲得。圖5是基於超聲交織編程的速度分布測量方法的流程圖。基於超聲交織編程的速度分布測量方法包括以下步驟。1.向待測流體中添加示蹤劑。示蹤劑可以是造影微泡或其它聲學性能較好的造影劑。通過計算機控制高頻超聲換能器按照交織編程的方式向外發射高頻超聲波信號並採集圖像。在第I時間單元採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為Lll ;在第2時間單元仍採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為L12 ;在第3時間單元採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L23 ;在第4時間單元仍採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L24 ；以此類推，在第2n-l時間單元採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln(2n_l);在第2n時間單元仍採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln(2n)。交織編程法採集到的圖像(Lll, L12, L23, L24, ...，Ln (2n_l)，Ln (2n))由 2n 列組成。為獲得速度場計算所需的兩幀圖像，需對交織編程成像法採集的交織射頻信號圖像解耦。抽取第1，3，5唚 第211-1時間單元所採集到的圖像列構成圖像1(L11，L23, L35,…Ln (2n-l))，抽取第2，4，6··· 第2n時間單元所採集到的圖像列構成圖像2(L12，L24, L36,…Ln (2n))。圖像對的時間間隔為I。將上述交織編程成像法採集得到的兩幀射頻信號圖像劃分成多個分析窗口(詢問窗口)。接著對詢問窗口進行傅立葉空間內的二維互相關運算以得到該處示蹤劑的局部位移。如果兩幀圖像的時間間隔At已知，則可以計算得到速度向量。對所有的分析窗口進行互相關運算，就可以得到二維的速度向量場。速度梯度分布和壁面剪切力分布可由速度向量場經計算獲得。實驗系統如圖6所示，乳膠管被水平放置在水槽中且在水槽底部放置吸聲材料以減少超聲波的反射，乳膠管的內徑為5_壁厚為1_。通過一臺離心泵驅動流體在管內以恆定流量循環流動。利用超聲設備獲取超聲射頻(RF)數據，該超聲設備帶有一個頻率帶寬為5-14MHz的線性探頭，探頭包含128個單元。調整流量值，使管道中心處最大速度約為1. 8m/S。圖7是採用傳統順序掃描方式進行超聲成像測速獲取的二維速度向量場。其中箭頭表示速度的方向，灰度表示速度的大小。由於高流速條件下，粒子偏移量過大，所得速度 場計算結果誤差較大，總體流速分布雜亂無章，管道中心流場處的部分速度向量分布甚至出現了與實際流動速度方向相反的情況。圖8是採用本發明交織編程進行超聲成像測速得到的二維速度向量場，準確完整的獲取了全場速度矢量分布。
權利要求
1.基於超聲交織編程的速度分布測量方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)向待測流體中添加示蹤劑； 2)控制器控制高頻超聲換能器按照交織編程方式向外發射高頻超聲波信號，並採集流體中示蹤劑的背向散射射頻信號； 設超聲成像測速系統中超聲探頭由η個單元構成，按線掃描的方式來記錄每幀圖像；設一幅圖像由η條掃描線構成，其中a表示掃描線所在位置，取值範圍為[l，n]，b表示採集該條掃描線時所處的時間單元，取值範圍為[l，n]; 交織編程方式採集圖像時，具體方法如下在第I時間單元採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為Lll ;在第2時間單元仍採集a=l位置處的射頻信號掃描線，記為L12 ;在第3時間單元採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L23 ;在第4時間單元仍採集a=2位置處的射頻信號掃描線，記為L24 ;以此類推，在第2n-l時間單元採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln(2n-1);在第2n時間單元仍採集a=n位置處的射頻信號掃描線，記為Ln (2n)；交織編程方法採集到的圖像由(LI 1，L12, L23, L24,…，Ln (2n_l)，Ln (2n))組成，包含2n列； 3)在步驟2)的基礎之上，對交織編程方法採集的交織射頻圖像解耦，即可獲得圖像對； 所述的交織編程方法採集的交織射頻圖像解耦具體實現方法如下抽取步驟2)圖中第l，3，5... 2n-l時間單元所採集到的圖像列構成圖像I (Lll，L23，L35，· · · Ln (2n_l))，抽取第2，4，6唚211時間單元所採集到的圖像列構成圖像2 (L12，L24，L36，…Ln(2n)); 4)在步驟3)的基礎之上，將上述交織編程方法採集到的兩幀射頻信號圖像I和圖像2劃分成多個分析窗口即詢問窗口，接著對詢問窗口進行傅立葉空間內的二維互相關運算以得到該處示蹤劑的局部位移，再根據兩幀圖像的時間間隔At，則可以計算得到速度向量即位移除以時間At。
2.根據權利要求1所述的基於超聲交織編程的速度分布測量方法，其特徵在於，所述的示蹤劑是造影微泡或造影劑。
全文摘要
本發明公開了一種基於超聲交織編程的速度分布測量方法，包括如下步驟1)向待測流體中添加示蹤劑；2)控制器控制高頻超聲換能器按照交織編程方式向外發射高頻超聲波信號，並採集流體中示蹤劑的背向散射射頻信號；3)在步驟2)的基礎之上，對交織編程方法採集的交織射頻圖像解耦，即可獲得圖像對；4)在步驟3)的基礎之上，將上述交織編程方法採集到的兩幀射頻信號圖像1和圖像2劃分成多個分析窗口即詢問窗口，接著對詢問窗口進行傅立葉空間內的二維互相關運算以得到該處示蹤劑的局部位移，再根據兩幀圖像的時間間隔Δt，則可以計算得到速度向量即位移除以時間Δt。該方法可以測定較高流速狀態下流體速度場。
文檔編號A61B8/06GK103006272SQ20131000768
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月9日 優先權日2013年1月9日
發明者周賓, 姚琛, 許傳龍, 張龍 申請人:東南大學