基于时空变换的CT界面快速定位方法研究

李彦君，宋文爱，杨顺民

（中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051）

层析成像技术（Computed tomography）是利用从物体外部检测到的数据来重建物体的内部（横断面）信息的技术，我们也称之为计算机辅助断层成像技术，简称CT。该技术可以广泛应用于多种能量波和粒子束:如X射线、质子、电子、超声波等。当CT应用的能量波为超声波时，就称为超声层析成像（UCT）［1］。

为了准确并且快速地进行超声CT成像，快速扫描信号特征就具有重大的意义，本文通过对超声相控阵信号族进行灰度成像，得到各个反射截面的灰度图，从而可以更加直观迅速地找到散射截面。

1 相控阵技术原理

在采用阵列探头检测的时候，各个阵元分别具有独立的发射和接收电路，通过控制每个通道的发射和接收延迟来实现对检测声束的控制，这就是相控阵超声检测。具体分为相控阵发射和相控阵接收。

相控阵发射时，分别调整各个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，形成发射声束聚焦和声束偏转等效果。

在图1（a）中的阵列换能器各阵元的激励时序是:两端阵元先激励，逐渐向中间阵元加大延迟，使合成的波阵面指向一个曲率中心，即发射相控聚焦。

在图1（b）中的阵列换能器各阵元的激励时序是:等间隔增加发射延迟，使合成波阵面具有一个指向角，即形成发射声束相控偏转效果［2］。

相控阵接收时，换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，然后进行声束合成，就能将特定位置回波信号通过叠加增强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消［3］。相控阵接收的原理如图2所示。

图1 发射相控聚焦与偏转控制示意图

图2 接收相控阵原理图

2 实验装置

图3中标出了可能引起散射的界面。界面1是半径为100 mm的圆弧界面，界面2是深度为91 mm的水平界面，界面3是高度为6 mm的竖直界面，界面4是深度为85 mm，宽度为2 mm的水平界面，界面5是高度为15 mm的竖直界面，界面6是深度为100 mm的水平界面。

如图4，将相控阵信号族压缩为灰度图。以横坐标为时间轴，纵坐标为阵元的位置，单阵列发射的信号幅度值作为其灰度值成像。

具体图4中标出了可以准确识别的散射波前，其中1对应的为图3中界面1的散射波前，2为界面2的散射波前，3为界面3形成的散射波前，4为界面2的散射波前，5为界面5形成的散射波前，6为界面6的散射波前，其他尚未准确识别的散射波前未标出。

图3 超声散射CT的实验样品及传感器布置

图4 0，12，24，36，47号阵元发射其他所有接收信号灰度图

通过对灰度图做一维投影，得到单阵元发射49阵元接收的信号和图，以13号阵元为例，如图5。

由图5中图像的投影分布，可见散射界面应位于投影分布的各个峰值处，因此在投影分布图中找到对应的峰值，就能确定是散射界面。具体的算法如下:

（1）对灰度图进行一维投影处理，即沿图像进行灰度值的累加，得到图像投影的分布图。

（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，就找到了散射界面的对应位置［4］。

图5 信号和图

3 结论

通过运用时空压缩的方法，将利用虚拟相控阵采集得到的超声阵列信号集（波列），变换成位置和时间的二维灰度图，再将其投影到时间轴上，通过研究一维的灰度投影的特征，达到快速识别是否存在散射界面，并确定散射源产生的信号在时间轴上粗略位置，将得到的信号特征进行自动搜索，即可快速找到散射界面。

［1］钟志民，梅德松.超声相控阵技术的发展及应用［J］.无损检测，2002，24（2）:67-72.

［2］张蕾，宋文爱，杨顺民.超声散射CT技术发展综述［J］.CT理论及应用研究，2011:415-427.

［3］原可义.超声散射CT声成像方法研究［D］.清华大学，2008.

［4］杨奕.超声相控阵检查方法研究［J］.清华大学，2003.