虚拟相控阵超声散射CT成像中的散射面定位研究

郭禹姬，宋文爱

(中北大学 信息与通信工程学院 太原 030051)

0 引言

虚拟相控阵超声散射CT成像方法，不需要反投影重构，在一定程度上弥补了线性超声CT方法由于线性假设或弱散射假设带来的不足，提高了超声检测的空间分辨率力。但是由于该方法需要综合考虑幅值和相位信息，所以需要对虚拟相控阵中的每一个阵元发射、其余阵元接收（包括发射阵元本身接收）到的所有信号进行处理，信息量较大，所以影响了成像的速度。为了快速而且准确进行超声CT成像，如何快速查找扫描区域（检测区域）内存在的散射源，是提高成像速度和成像质量的关键[1]。

本文通过时间压缩的方法，对信号进行压缩，通过相移得到的信号簇一维压缩，能准确找到散射界面在时间轴上的位置，并通过频域信号的观察对界面的空间位置达到相位定位。

1 相控阵成像技术介绍

在探测区域相互垂直的两个边分别排列一个m元的线性超声阵列探头（根据情况也可以扇形超声阵列探头）每个探头阵元均可以作为发射和接收阵元，当水平放置的阵列的第i个单元发射，垂直放置的阵元j（j=1，2，…，）接收时，其发射和接收示意图如图1所示[2]。

图1 水平单阵元发射，垂直各阵元接收示意图

采集到的信号是图4试块的时间序列示意图如图2所示。

图2 24号阵元发射其他所有阵元接收原信号簇

图3 扫描区域内任意散射点P与其距离最近接收阵元关系示意图

2 时间压缩

当检测或扫描区域内存在散射源时，接收信号的幅值增大，在相应的接收阵元上出现局部最大值点，最大值点出现以前的接收序列开始段或反方向椎大值点出现以后的结尾段，认为是冗余信号，可以进行压缩。

由于接收到的散射信号存在一定的相位差，为减小计算误差、时间压缩后不丢失有用的信息，所以nmin和nmax分别向左、向右移动2。

这样对于所获得的所有波列的时间序列的时间值均压缩到以n= nmin为起点，n= nmax为终点的范围内，并以该范围内的每个时间采样点作为灰度图像的坐标y。图2信号压缩后信号如图5(a)。

3 实验

图4所示的钛合金CSK-IA试块为本文所研究的检测对象。图4中标出了试块的尺寸以及阵列传感器的布置区域。图4中，阵列传感器A具有49个阵元，阵元宽度为1mm。传感器频率为6．25MHz,在被检试块中的波长近似为1mm。

图4中还标出了可能引起散射的界面。界面1为半径100mm的圆弧界面，界面2为深度91mm的水平界面，界面3为高度为6mm的竖直界面，界面4为深度85mm,宽度2mm 的水平界面，界面5为高度15mm的竖直界面，界面6为深度100mm的水平界面。

图4 超声散射CT的实验样品及传感器布置

我们对阵列传感器A所获得的信号进行处理，图5所示为24号晶片发射超声波所有晶片接收到的回波信号组图。图5(a)表示接收到的原始回波信号，由于界面4在24号阵元的正下方，而且界面4与探头具体举例最小，从图中可以看到界面4信号最早反射回来，且24号阵元最先接收到信号，图5(b)所示为原始回波信号的没有经过移相的所有49个信号的累加和，可以看出由于各个信号之间存在相位差，叠加后信号的幅值并不大。图5(c)表示为根据协方差法对每一条信号线移相后的结果，从图中可以看出，移相后的各个信号在相位上基本保持一致。图5(d)为移相后的所有信号的累加和，与图5(b)相比，信号幅值提高一倍多。

根据图5(d)中图像的投影分布，可以看到散射界面应该位于投影分布的各个峰值处，因此找到投影分布图中找到对应的峰值，就可以确定是散射界面。具体算法如下：

(1)对灰度图进行一维投影，即沿图像进行灰度值的累加，得到图像投影分布图。

(2)从左向右搜索，通过动态选取阈值法找到不同区间的极大值，根据极大值对应的时间轴位置，即可找到散射界面相应位置。

为了对散射界面的位置更加准确识别，对已经找到的散射区域做傅立叶变换。如图6所示。

由图6分析可以得出，49个阵元发射所在各个界面的傅立叶变换结果可以得出，峰值数不同，散射界面的个数也不同。图6(a),(d)只有一个峰值，表示所在界面4，(b)有两个峰值，表示界面2与界面3，依次类推。

通过傅里叶变换变换结果，可以得知这个界面在空间上的相对位置。

图5 24号晶片发射所有晶片接收回波信号组图

图6 12号阵元，36号阵元三个散射区域傅立叶变换结果

4 结论

通过时间压缩，时移方法能够快速找到散射界面在时间轴上的位置，从而为超声CT快速成像打下基础。

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