[发明专利]基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统

权利要求书

1.一种基于多频时间反转技术的超声成像方法，其特征在于，应用于超声成像系统中，所述超声成像系统包括试块(10)、设于横向方向且以所述试块(10)的竖直轴为对称轴对称布置于所述试块(10)表面的超声相控阵探头(20)、以及与所述超声相控阵探头(20)电连接用于控制所述超声相控阵探头(20)激发超声信号和接收返回的包含试块信息的超声回波信号的阵列控制器(30)，所述试块(10)上具有以所述竖直轴为对称轴呈对称分布的两个贯通孔(11)，所述基于多频时间反转技术的超声成像方法包括以下步骤：

获取超声阵列数据并对获取的所述超声阵列数据进行预处理，其中，所述超声阵列数据包括所述超声信号和所述超声回波信号；

利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；

将得到的所述原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；

根据计算出的所述相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像；

所述超声相控阵探头包含N个阵元，所述获取超声阵列数据并对获取的所述超声阵列数据进行预处理的步骤包括：

利用所述超声相控阵探头获取所述超声阵列数据，其中，所述超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；

根据不同类型的超声波传播速度的差异，对所述超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号；

所述利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像的步骤包括：

对所述超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的所述超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；

对构建的所述多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量，具体为：对构建的多态响应矩阵K执行奇异值分解，得到对角矩阵Σ以及酉矩阵U和V，多态响应矩阵K为：

K＝UΣV^H (1)

其中，K为多态响应矩阵；Σ为对角矩阵，其主轴上的元素为以降序排列的奇异值；U为酉矩阵，其列向量为左奇异向量；V为酉矩阵，其列向量为右奇异向量；H表示共轭转置；

取得到的所述奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将所述奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，即取最大奇异值的10％作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，大于该阈值的奇异值所对应的左奇异向量作为信号子空间U_S、大于该阈值的奇异值所对应的右奇异向量作为信号子空间V_S；其余左奇异向量作为噪声子空间U_N、其余右奇异向量作为噪声子空间V_N；

对于所述试块的成像区域中的每一个像素点，在所述超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量，导向矢量为：

g(r，ω_c)＝[G(R₁，r，ω_c)，G(R₂，r，ω_c)，.......，G(R_N，r，ω_c)]^T (2)

其中，g(r,ω_c)为导向矢量；T表示转置；G(R_N,r,ω_c)表示探头阵元位置R和像素点r之间的格林函数；

根据所述信号子空间和所述导向矢量，定义第一成像函数，利用所述中心频率时间反转多信号分类法对所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像，所述第一成像函数为：

其中，I(r,ω_c)为第一成像函数；U_S和V_S为信号子空间；g(r,ω_c)为导向矢量；*表示共轭，H表示共轭转置；

所述将得到的所述原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子的步骤包括：

提取所述原始超声图像的峰值点坐标；

将提取的所述原始超声图像的所述峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子，相位补偿因子α(ω)为：

其中，α(ω)为相位补偿因子，exp是以自然对数e为底的指数函数，φ为相位，U_S和V_S为信号子空间；g(r_p,ω)为导向矢量；H表示共轭转置；*表示共轭；

所述根据计算出的所述相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像的步骤包括：

对于所述试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的所述相位补偿因子，定义第二成像函数，第二成像函数为：

其中，I(r,Δω)为第二成像函数；α(ω)为相位补偿因子，g(r,ω)为导向矢量；Δω为带宽；N_ω为宽带范围内的频率点数目；*表示共轭；H表示共轭转置；

根据定义的所述第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

2.一种基于多频时间反转技术的超声成像系统，其特征在于，包括试块(10)、设于横向方向且以所述试块(10)的竖直轴为对称轴对称布置于所述试块(10)表面的超声相控阵探头(20)、以及与所述超声相控阵探头(20)电连接用于控制所述超声相控阵探头(20)激发超声信号和接收返回的包含试块信息的超声回波信号的阵列控制器(30)，所述试块(10)上具有以所述竖直轴为对称轴呈对称分布的两个贯通孔(11)，所述阵列控制器(30)包括：

获取模块(31)，用于获取超声阵列数据并对获取的所述超声阵列数据进行预处理，其中，所述超声阵列数据包括所述超声信号和所述超声回波信号；

第一处理模块(32)，用于利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；

计算模块(33)，用于将得到的所述原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；

第二处理模块(34)，用于根据计算出的所述相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像；

所述超声相控阵探头包含N个阵元，所述获取模块(31)包括：

获取单元(311)，用于利用所述超声相控阵探头获取所述超声阵列数据，其中，所述超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；

预处理单元(312)，用于根据不同类型的超声波传播速度的差异，对所述超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号；

所述第一处理模块(32)包括：

构建单元(321)，用于对所述超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的所述超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；

分解单元(322)，用于对构建的所述多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量，具体为：对构建的多态响应矩阵K执行奇异值分解，得到对角矩阵Σ以及酉矩阵U和V，多态响应矩阵K为：

K＝UΣV^H (1)

其中，K为多态响应矩阵；Σ为对角矩阵，其主轴上的元素为以降序排列的奇异值；U为酉矩阵，其列向量为左奇异向量；V为酉矩阵，其列向量为右奇异向量；H表示共轭转置；

划分单元(323)，取得到的所述奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将所述奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，即取最大奇异值的10％作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，大于该阈值的奇异值所对应的左奇异向量作为信号子空间U_S、大于该阈值的奇异值所对应的右奇异向量作为信号子空间V_S；其余左奇异向量作为噪声子空间U_N、其余右奇异向量作为噪声子空间V_N；

第一定义单元(324)，用于对于所述试块的成像区域中的每一个像素点，在所述超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量，导向矢量为：

g(r，ω_c)＝[G(R₁，r，ω_c)，G(R₂，r，ω_c)，.......，G(R_N，r，ω_c)]^T (2)

其中，g(r,ω_c)为导向矢量；T表示转置；G(R_N,r,ω_c)表示探头阵元位置R和像素点r之间的格林函数；

第一成像单元(325)，用于根据所述信号子空间和所述导向矢量，定义第一成像函数，利用所述中心频率时间反转多信号分类法对所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像，所述第一成像函数为：

其中，I(r,ω_c)为第一成像函数；U_S和V_S为信号子空间；g(r,ω_c)为导向矢量；*表示共轭，H表示共轭转置；

所述计算模块(33)包括：

提取单元(331)，用于提取所述原始超声图像的峰值点坐标；

计算单元(332)，用于将提取的所述原始超声图像的所述峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子，相位补偿因子α(ω)为：

其中，α(ω)为相位补偿因子，exp是以自然对数e为底的指数函数，φ为相位，U_S和V_S为信号子空间；g(r_p,ω)为导向矢量；H表示共轭转置；*表示共轭；

所述第二处理模块(34)包括：

第二定义单元(341)，用于对于所述试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的所述相位补偿因子，定义第二成像函数，第二成像函数为：

其中，I(r,Δω)为第二成像函数；α(ω)为相位补偿因子，g(r,ω)为导向矢量；Δω为带宽；N_ω为宽带范围内的频率点数目；*表示共轭；H表示共轭转置；

第二成像单元(342)，用于根据定义的所述第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。