專利名稱：一種擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波無損探測(cè)技術(shù)，具體涉及一種擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置及方法。
背景技術(shù)：
近20年來，隨著科技的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，超聲波無損探測(cè)和成像技術(shù)在探頭設(shè)計(jì)、信號(hào)處理以及應(yīng)用軟件開發(fā)等方面都有長(zhǎng)足發(fā)展， 使得超聲波成像質(zhì)量大幅改善，應(yīng)用范圍越來越廣。超聲波有較強(qiáng)的穿透力，且具有對(duì)被探測(cè)組織無損傷、無輻射等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、能源、考古等。在很多超聲波探測(cè)和圖像應(yīng)用領(lǐng)域，人們對(duì)超分辨率圖像的需求日益迫切。所謂超分辨率重建，即通過硬件或軟件的方法提高原有圖像的分辨率，通過一系列低分辨率的圖像來得到一幅高分辨率的圖像過程。盡管在部分超聲波探測(cè)與成像應(yīng)用領(lǐng)域，超聲波探頭能夠提供合適分辨率的圖像，但是在大多數(shù)超聲波探測(cè)與成像應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)前的圖像分辨率水平以及相應(yīng)的設(shè)備價(jià)格并不能滿足日益迫切的市場(chǎng)需求。當(dāng)前，在超聲波成像領(lǐng)域， 對(duì)于高分辨率圖像的獲得，可歸納為兩種途徑一是采用大面積的面陣探頭，同時(shí)提高超聲波的發(fā)射頻率。但是隨著面陣探頭中陣元數(shù)目的增多，隨之而來的是陣元間的耦合串?dāng)_加劇，為后續(xù)圖像處理增加了難度，同時(shí)隨著超聲波發(fā)射頻率的提高，超聲波在被探測(cè)組織中的衰減顯著增加，不得不采用提高發(fā)射功率的方法進(jìn)行補(bǔ)償，使得探測(cè)設(shè)備越來越龐大，圖像處理系統(tǒng)越來越復(fù)雜。二是對(duì)于多幅局部低分辨率圖像，基于圖像內(nèi)部信息進(jìn)行空間變化、插值方法、優(yōu)化算法和相似性測(cè)度等對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)和融合，這也稱為回顧式的圖像配準(zhǔn)方法，此類方法同樣存在算法復(fù)雜度高、計(jì)算量大的問題，在實(shí)際運(yùn)用中，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互操作的需要。所以總結(jié)現(xiàn)有超聲波探測(cè)與成像技術(shù)，還存在以下不足需要解決(I)成像質(zhì)量不高，圖像的拼接、融合和配準(zhǔn)難度大。因?yàn)槌暡z測(cè)采取的是非侵入的方式，無法像X射線檢測(cè)那樣在被檢測(cè)組織的體表或體內(nèi)設(shè)置記號(hào)，圖像與圖像之間無準(zhǔn)確參考點(diǎn)，使得很難對(duì)圖像進(jìn)行拼接、分割和融合。(2)系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備靈活性不高。隨著對(duì)超聲波圖像質(zhì)量要求的提高和對(duì)探測(cè)區(qū)域要求的擴(kuò)大，實(shí)際中往往采用大面積的面陣探頭，隨著探頭中陣元數(shù)目的增多和發(fā)射功率的提高，隨之而來的是陣元間的耦合串?dāng)_加劇，信號(hào)采集、圖像處理系統(tǒng)越來越復(fù)雜，設(shè)備越來越龐大，造成其靈活性降低，且價(jià)格昂貴。(3)難以獲取超分辨率的圖像。對(duì)于同一被探測(cè)組織的在不同方位和角度得到的低分辨率超聲波圖像，同樣因?yàn)闆]有精確的參考點(diǎn)信息，給超分辨率重建帶來因?yàn)槲恢谜`差而導(dǎo)致噪聲進(jìn)一步加劇，無法獲得超分辨率的圖像。(4)多數(shù)超聲波檢測(cè)都需要消耗大量的耦合劑、耦合液等耗材，使用成本高。且在醫(yī)療上，還存在極少數(shù)患者對(duì)超聲波耦合劑過敏等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有超聲波圖像拼接、分割、配準(zhǔn)與融合難度大，超分辨率圖像獲取困難的不足，提出一種擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置及方法，具體技術(shù)方案如下。一種擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置，由超聲波耦合墊和內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基中的反射粒組成，所述超聲波耦合墊片基的外層材料比內(nèi)層材料硬，所述超聲波率禹合墊的外層和內(nèi)層均選用透聲材料，且超聲波在其內(nèi)部傳播聲速一致。上述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置中，所述反射粒內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基外層材料中，反射粒采用陣列布置。上述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置中，所述反射粒采用布置形式為點(diǎn)陣、線陣以及點(diǎn)線相結(jié)合的陣列。上述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置中，所述反射粒為金屬材料或陶瓷材料。上述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置中，在布置反射粒陣列時(shí)，所有反射粒與超聲波耦合墊外表面的距離一致。上述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置中，超聲波耦合墊片基采用三層設(shè)計(jì)，從上至下分別是外層、彈性層和內(nèi)層，所述反射粒嵌于外層與內(nèi)層之間，且反射粒通過彈性層固定，彈性層采用透聲材料。上述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置中，所述外層、彈性層和內(nèi)層均采用透聲樹脂材料。一種擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的方法，在超聲波耦合墊內(nèi)布置反射粒， 超聲波耦合墊片基的最外層與超聲波探頭接觸，通過反射粒在超聲波探頭探測(cè)得到的圖像中標(biāo)識(shí)出的精確位置信息，實(shí)現(xiàn)為不同時(shí)刻得到的局部超聲波圖像建立一個(gè)外部的、共同的坐標(biāo)系，從而為局部圖像之間的拼接、融合與配準(zhǔn)提供先驗(yàn)信息，簡(jiǎn)化配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)圖像的快速拼接和融合；從而擴(kuò)展探測(cè)區(qū)域和得到超分辨率的成像。上述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的方法中，超聲波耦合墊材料選定后， 超聲波在其內(nèi)部傳播的速度是已知的，當(dāng)反射粒與超聲波耦合墊外表面的距離確定后，超聲波探頭發(fā)出的超聲波，再經(jīng)反射粒反射后被探頭接收這段時(shí)間差能確定，而在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，這個(gè)時(shí)間差小于任何從被探測(cè)對(duì)象內(nèi)部反射回來的超聲波形成的時(shí)間差，通過設(shè)置一個(gè)時(shí)間窗，不接收反射粒反射的回波，從而消除反射粒對(duì)被探測(cè)對(duì)象最終成像的影響。本發(fā)明的應(yīng)用成果可廣泛適用于醫(yī)療、機(jī)械、管道、船舶等領(lǐng)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(I)在現(xiàn)有超聲成像設(shè)備基礎(chǔ)上加上超聲波耦合墊，由于增加了先驗(yàn)的探測(cè)區(qū)域的位置坐標(biāo)，所以可以為多幅超聲波圖像實(shí)現(xiàn)精確的拼接，從而擴(kuò)展超聲波探測(cè)區(qū)域。(2)降低現(xiàn)有超聲波圖像拼接、分割、配準(zhǔn)和融合的難度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超分辨率重建而提高圖像質(zhì)量。(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，使用方便，容易和現(xiàn)有超聲波探測(cè)設(shè)備相配套，通用性強(qiáng)。(4)可重復(fù)使用，減少超聲波耦合劑、耦合液等耗材的浪費(fèi)，降低使用成本。


圖I是本發(fā)明所述內(nèi)嵌反射粒的超聲波耦合墊工作示意圖。
圖2是本發(fā)明所述內(nèi)嵌反射粒的超聲波耦合墊剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3a是呈同心圓布置的點(diǎn)狀反射粒陣列。
圖3b是呈正交布置的線狀反射粒陣列。
圖3c是呈交錯(cuò)布置的點(diǎn)線結(jié)合反射粒陣列。
圖4a是三幅原始的超聲波局部圖像。
圖4b是實(shí)現(xiàn)拼接后的整體圖像。
圖5a是內(nèi)部無反射粒的低分辨率超聲波圖像。
圖5b是內(nèi)部有反射粒的低分辨率超聲波圖像。
圖5c是通過圖像配準(zhǔn)得到的超分辨率圖像。
圖6a是實(shí)施探測(cè)時(shí)時(shí)間差產(chǎn)生的示意圖。
圖6b是設(shè)置時(shí)間窗的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。
如圖I所示，是本發(fā)明所述內(nèi)嵌反射粒的超聲波耦合墊一個(gè)實(shí)施例的工作示意
圖。在該實(shí)施例中，超聲波耦合墊為平面結(jié)構(gòu)，反射點(diǎn)101線陣為點(diǎn)線結(jié)合的行列型陣列布置。該超聲波耦合墊102的上表面為超聲波探頭接觸面103，工作時(shí)與超聲波探頭接觸，下表面為被探測(cè)組織接觸面104，工作時(shí)與被探測(cè)組織表面接觸。其中外層與超聲波探頭接觸，其質(zhì)地較硬，用途是保證耦合墊內(nèi)的反射粒與耦合墊表面的距離保持不變；內(nèi)層與被探測(cè)組織接觸，其質(zhì)地較軟，用途是保證耦合片與被探測(cè)組織之間良好的耦合。所述耦合墊片基的外層和內(nèi)層均選用透聲樹脂材料，以保證能夠按照被探測(cè)組織的表面形狀進(jìn)行彎曲， 同時(shí)保證超聲波在其內(nèi)部傳播聲速的均勻性和一致性。所述內(nèi)嵌在超聲波耦合墊外層的反射粒通常采用陣列布置，其布置形式可以是點(diǎn)陣、線陣以及點(diǎn)線相結(jié)合的陣列。反射粒應(yīng)根據(jù)具體被探測(cè)對(duì)象的不同而選用不同的材料， 如在醫(yī)療上對(duì)人體進(jìn)行探測(cè)時(shí)可選擇金屬材料，而在エ業(yè)上對(duì)大型金屬鍛件、鑄件進(jìn)行探測(cè)時(shí)則可選擇陶瓷材料，確保反射顆粒的影像在超聲波圖像中保持清晰且位置明確，能夠?qū)植砍暡▓D像進(jìn)行精確標(biāo)定。如圖2所示，是本發(fā)明所述超聲波耦合墊一個(gè)實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該超聲波耦合墊由耦合墊片基和內(nèi)嵌的點(diǎn)狀反射粒205和線狀反射粒204構(gòu)成。耦合片片基采用三層設(shè)計(jì)，從上至下分別是硬質(zhì)層201、彈性層202和軟質(zhì)層203。其中最上層為硬質(zhì)層，保證彈性層內(nèi)的反射點(diǎn)線陣與耦合片表面的距離d保持不變。該層的厚度適中；中間層為彈性層，用途是用于固定反射點(diǎn)線陣，該層相對(duì)較薄；最內(nèi)層為軟質(zhì)層，保證耦合片與被探測(cè)組織之間良好的耦合，該層相對(duì)較厚。耦合片片基的硬質(zhì)層、弾性層和軟質(zhì)層均選用透聲樹脂材料，以保證能夠按照被探測(cè)組織的表面形狀進(jìn)行彎曲，同時(shí)保證超聲波在其內(nèi)部傳播聲速的均勻性和一致性。超聲波耦合墊中的反射粒如圖3a_圖3c所示，其圖案可以是點(diǎn)陣(圖3a)、線陣(圖3b)以及點(diǎn)線結(jié)合(圖3c)的布置形式，使用時(shí)根據(jù)具體探測(cè)對(duì)象靈活選擇，對(duì)于不同頻率的超聲波，以不影響成像質(zhì)量和易于對(duì)圖像進(jìn)行精確標(biāo)定為選擇依據(jù)。如圖4a_圖4b所示，本發(fā)明所述超聲波反射墊實(shí)現(xiàn)圖像拼接和擴(kuò)展的一個(gè)實(shí)施例示意圖。圖4a表示的是三幅原始的超聲波局部圖像，目前，超聲波圖像并沒有如圖中所示標(biāo)有序號(hào)的黒點(diǎn)，所以對(duì)于多幅局部圖像，通常是基于圖像內(nèi)部信息進(jìn)行空間變化、插值方法、優(yōu)化算法和相似性測(cè)度等，來進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和拼接，這類方法的后果使得超聲波圖像處理系統(tǒng)越來越復(fù)雜、價(jià)格越來越昂貴。而依據(jù)本發(fā)明的超聲波反射墊，可以實(shí)現(xiàn)在多幅局部圖像中提前標(biāo)定出帶有精確坐標(biāo)信息的參考點(diǎn)，利用這些參考點(diǎn)信息，可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的配準(zhǔn)和拼接。如圖4b所示，是將圖4a中三幅局部圖像中的參考點(diǎn)按超聲波耦合墊的相對(duì)位置進(jìn)行配準(zhǔn)，而得到的擴(kuò)展后的圖像。如圖5a_圖5c所示，是本發(fā)明所示內(nèi)嵌反射粒的超聲波耦合墊輔助形成超分辨率圖像的一個(gè)實(shí)施例示意圖。圖5a是現(xiàn)有超聲波設(shè)備對(duì)被探測(cè)組織同一切片從不同角度形成的兩幅低分辨率圖像，可見在沒有精確參考點(diǎn)的情況下，僅依靠圖像內(nèi)部的信息，進(jìn)行配準(zhǔn)和融合時(shí)，難度極大。而圖5b是在使用本發(fā)明所述內(nèi)嵌反射粒的超聲波耦合墊后，從不同角度形成的兩幅低分辨率圖像。不同的是，圖像內(nèi)部有九個(gè)位置已知的精確參考點(diǎn)，利用這九個(gè)參考點(diǎn)的位置信息就可以大大降低圖像配準(zhǔn)和融合的難度，結(jié)合超聲波耦合墊的具體布置位置，就可以輕易得到圖5c所示的超分辨率圖像。如圖6a_圖6b所示，是消除反射粒對(duì)被測(cè)對(duì)象反射波接收影響的一個(gè)實(shí)施例示意圖。如圖6a所示，線段PQ為普通線陣探頭。該探頭透過超聲波耦合墊向被探測(cè)組織發(fā)射超聲波波束。Mi和]^為某個(gè)時(shí)刻超聲波波束通過的兩個(gè)反射粒。假設(shè)超聲波在超聲波耦合墊內(nèi)的傳播速度為V，則超聲波波束從線陣探頭PQ發(fā)出，經(jīng)反射粒Mi和Mj反射再被探頭接收的時(shí)間td = 2d/v,從被探測(cè)對(duì)象組織內(nèi)部反射回來的超聲波波束時(shí)間h = 21/vo L為被探測(cè)組織與超聲波探頭之間的距離，因?yàn)镮 > d，所以h > td，當(dāng)設(shè)置ー個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為td 的時(shí)間窗，過濾掉0 td時(shí)間段內(nèi)的反射波時(shí)，就會(huì)如圖6b所示，完全消除反射粒反射的超聲波信號(hào)，同時(shí)又能夠完全保留被探測(cè)組織反射的超聲波信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置，其特征在于由超聲波耦合墊和內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基中的反射粒組成，所述超聲波耦合墊片基的外層材料比內(nèi)層材料硬， 所述超聲波耦合墊的外層和內(nèi)層均選用透聲材料，且超聲波在其內(nèi)部傳播聲速一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置，其特征在于所述反射粒內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基外層材料中，反射粒采用陣列布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置，其特征在于所述反射粒采用布置形式為點(diǎn)陣、線陣以及點(diǎn)線相結(jié)合的陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置，其特征在于所述反射粒為金屬材料或陶瓷材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置，其特征在于所有反射粒與超聲波耦合墊片基外表面的距離一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 5任一項(xiàng)所述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置，其特征在于超聲波耦合墊片基采用三層設(shè)計(jì)，從上至下分別是外層、彈性層和內(nèi)層，所述反射粒嵌于外層與內(nèi)層之間，且反射粒通過彈性層固定，彈性層采用透聲材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置，其特征在于超聲波耦合墊片基的外層、彈性層和內(nèi)層均采用透聲樹脂材料。
8.—種擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提聞探測(cè)精度的方法，其特征在于在超聲波I禹合塾片基內(nèi)布置反射粒，超聲波耦合墊片基的最外層與超聲波探頭接觸，通過反射粒在超聲波探頭探測(cè)得到的圖像中標(biāo)識(shí)出的精確位置信息，實(shí)現(xiàn)為不同時(shí)刻得到的局部超聲波圖像建立一個(gè)外部的、共同的坐標(biāo)系，從而為局部圖像之間的拼接、融合與配準(zhǔn)提供先驗(yàn)信息，簡(jiǎn)化配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)探測(cè)圖像的快速拼接和融合；從而擴(kuò)展探測(cè)區(qū)域和得到超分辨率的成像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的方法，其特征在于超聲波耦合墊材料選定后，超聲波在其內(nèi)部傳播的速度是已知的，當(dāng)反射粒與超聲波耦合墊外表面的距離確定后，超聲波探頭發(fā)出的超聲波，再經(jīng)反射粒反射后被探頭接收這段時(shí)間差能確定，而在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，這個(gè)時(shí)間差小于任何從被探測(cè)對(duì)象內(nèi)部反射回來的超聲波形成的時(shí)間差，通過設(shè)置一個(gè)時(shí)間窗，不接收反射粒反射的回波，從而消除反射粒對(duì)被探測(cè)對(duì)象最終成像的影響。全文摘要
本發(fā)明公開一種擴(kuò)展超聲探測(cè)區(qū)域和提高探測(cè)精度的裝置及方法，裝置由超聲波耦合墊和內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基中的反射粒組成，所述超聲波耦合墊片基的外層材料比內(nèi)層材料硬，所述超聲波耦合墊的外層和內(nèi)層均選用透聲材料，且超聲波在其內(nèi)部傳播聲速一致；所述反射粒內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基外層材料中，反射粒采用陣列布置。所述方法通過反射粒在超聲波探頭探測(cè)得到的圖像中標(biāo)識(shí)出的精確位置信息，實(shí)現(xiàn)為不同時(shí)刻得到的局部超聲波圖像建立一個(gè)外部的、共同的坐標(biāo)系，從而為局部圖像之間的拼接、融合與配準(zhǔn)提供先驗(yàn)信息，簡(jiǎn)化配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)探測(cè)圖像的快速拼接和融合；從而擴(kuò)展探測(cè)區(qū)域和得到超分辨率的成像。
文檔編號(hào)G01N29/28GK102608219SQ20121007721
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者余業(yè)林, 曹燕, 韋崗 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)