Способ томографической реконструкции акустических неоднородностей

 

Изобретение относится к технике ультразвуковой вычислительной томографии. Целью изобретения является повышение точности и эффективности реконструкции за счет упрощения процесса сбора данных и оптимизации процедуры обработки и возможности реконструкции.высококонтрастных неоднородностей. Облучают плоской ультразвуковой (у.з.) волной объект с возможностью его поворота вокруг точки, являющейся центром поворота приемной акустической системы, состоящей из протяженных линейных преобразователей, осуществляя таким образом физическоеразложение рассеянного у.з. поля на плоские акустические волны, измеряют их амплитуду и фазу и обрабатывают полученные данные в фурье-пространстве с помощью ЭВМ. Разложение у.з. поля с помощью протяженных линейных преобразователей позволяет получить данные акустического рассеяния непосредственно в виде значений пространственного спектра неоднородностей на полярной сетке в фурье-пространстве , что обеспечивает возможность использовать для дальнейшей обработки данных хорошо разработанные стандартные алгоритмы лучевой вычислительной томографии и реализовать упрощение сбора данных и оптимизацию обработки. В то же время процедура обработки, организованная на основе указанного разложения, учитывает порцесс многократного перерассения зондирующей волны, что дает возможность реконструировать высококонтрастные неоднородности. 5 ил. (Л С VI Jbb О ю о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РеспуБлик (51)5 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К .АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4692010/28 (22) 16.05,89 (46) 07.07.92, Бюл. Кг 25 (71) М ГУ им.М.В.Ломоносова (72) В.А.Буров, А.В.Глазков, М,Н.Рычагов и Е,Я.Тагунов (53) 631,7(088.8) . (56) Wolf Е. Three — dimensionai structure

determination of semi - transparent ob)ect

from holographic data. - Opt.Commun, 1969, v.1, N 4,,р.153 — 156, . Гринлиф Дж.Ф, Ультразвуковая реконструктивная томография, — ПТИИЭР, 1983, т,71, N.. 3, с.54 — 63.

Davaney А.i. А filtred. backprogation

algarithm for diffraction tomography.Ultrasonic ImagIrig, 1983. М 4, р. 336-349.

Kaveh М. et al. Ultrasonic tomography

based on perturbation solutions of the wave

equation. Computed Graphics and Image . Processing, 1979, N. 9, р.105-116, Вайнберг Э.И., Файнгойз М,Л, Оптимальная дискретизация и интерполяция проекций в рентгеновской вычислительной томографии. — Дефектоскопия, 1984, N. 8, с.49 — 59, (54) СПОСОБ ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ АКУСТИ4ЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ (57) Изобретение относится к технике ультразвуковой вычислительной томографии.

Целью изобретения является повышение

Изобретение относится к технике ультразвуковой вычислительной томографии и может быть использовано для организации томографического исследования различных физических.и

„„. Ы„„1746219 Al точности и эффективности реконструкции за счет упрощения процесса сбора данных и оптимизации процедуры обработки и возможности реконструкции sblcoKOKOHTpactных неоднородностей. Облучают плоской ультразвуковой (у.з,) волной обьект с воэможностью его поворота вокруг точки, являющейся центром поворота приемной акустической системы, состоящей из протяженных линейных преобразователей, осуществл я я таким обра зом физическое. разложение рассеянного у.з, поля на плоские акустические волны, измеряют их амплитуду и фазу и обрабатывают полученные данные в фурье-пространстве с помощью

ЭВМ. Разложение у.э. поля с помощью протяженных линейных преобразователей позволяет получить данные акустического рассеяния. непосредственно в виде значений пространственного спектра неоднородностей на полярной сетке s фурье-пространстве, что обеспечивает воэможность использовать для дальнейшей обработки данных хорошо разрабстанные стандартные д алгоритмы, лучевой вычислительной томографии и реализовать упрощение сбора дан- р ных и оптимизацию обработки. В то же время процедура обработки, организованная на основе укаэанного разложения, учитывает порцесс многократного пере-! рассения зондирующей волны, что дает возможность реконструировать высококонтрастные неоднородности. 5 ил. > биологических обьектов в медицине, биологии, гидро- и геофизике и дефектоскопии, Цель изобретения — повышение точности эффективности реконструкции за счет

1746219 упрощения процесса сбора данных и оптимизации процедуры обработки и воэможности реконструкции высококонтрастных неоднородностей, когда необходим учет процесса многократного перерассеяния . 5 ультразвуковой волны на неоднородности, На фиг, 1 приведена схема организации томографического исследования; на фиг, 2 —. векторная диаграмма в спектральном фурье-йространстве; на фиг. 3 — выборка 10 дискретных компонентов пространственного спектра неоднородности,при фиксированном значении 0„и пробегании Я„всех своих значений; на фиг. 4 — полная структу.ра данных о пространственном спектре ис- 15 следуемой неоднородности, получаемая при пробегании углами On и Я всех своих значений (полностью совпадает с типичными структурами данных, получаемых для случая лучевой вычислительной томогра- 20 фии); на фиг 5 — координатные сетки в пря- моугольной декартовой и полярной системах координат (крестиками обозначены узлы полярной сетки, в которых измерены значения пространственного спектра 25 неоднородности; черными кружками — узлы декартовой сетки).

На фиг. 1-5 обозначены 0„— дискретный угол перемещения протяженного линейного преобразователя, исполняющего роль ЗО приемника ультразвука, по окружности С вокруг исследуемого объекта R; Я вЂ” дискретный угол поворота исследуемого объекта вокруг некоторой внутренней точки, являющейся началом полярной системы координат; Ко — волновой вектор падающей акустической волны; Kn — волновой вектор плоской акустической волны, рассеянной под углом On, причем IKn I=I Ко ; Лип — вектор, для которого на томографической установке при фиксированных углах 0 и

Я измеряется значение пространственного спектра исследуемой неоднородности (llum = Kn Ko).

Способ томографической реконструкции акустических неоднородностей заключается в следующем, Исследуемый объект, описываемый функцией Qr) и локализованный в области R (фиг. 1), помещают в имерсионную жидкость и облучают плоской ультразвуковой волной.

На приемной апертуре С. представляющей собой окружность с центром в начале полярной системы координат, помещенным. в области R, регистрируют плоские ультразвуковые волны частоты (l)p= КоСо, где в,— частота исходной плоской волны; Kp — волновое число; Со — скорость звука в имерсионной жидкости. При этом приемные.преобраэователи располагаются в дальней волновой зоне относительно рассеивающего объекта.

Разложение рассеянного акустического поля на плоские ультразвуковые волны и регистрация последних достигается тем, что в качестве приемников ультразвука используют протяженный линейный преобразователь, длина которого значительно превышает длину волны il зондирующего излучения, Такой преобразователь в силу усреднения значений акустического поля по всей своей поверхности выделяет из него плоскую волну, распространяющуюся в направлении нормали к поверхности преобразователя, и формирует электрический сигнал, связанный с амплитудой и фазой этой плоской волны.

Приемные акустические преобразователи могут располагаться на окружности С в

2л точках с угловыми координатами Ол = n, N где О, — величина угла, образованного волновыми векторами Ко (падающей волны) и

К> (плоской волны, рассеянной под углом

0„), или можно использовать один приемный преобразователь, который может перемещаться по С на дискретные углы 0„ ; причем

N — общее количество дискретных положений приемных преобразователей (или преобразователя).

В ряде случаев удобно иметь несколько приемных преобразователей на С и .одновременно использовать возможность их дискретного перемещения, Целесообразность такого сочетания определяется соотношением между размерами преобразователя и радиусом окружности С. Использование подобной схемы позволяет увеличить скорость съема экспериментальных данных.

Таким образом достигается разложение рассеянного поля по плоским акустическим волнам, рассеянным под различными углами On.

Для каждого фиксированного On осуществляется полный поворот объекта вокруг начала полярной системы координат посредством дискретных шагов Я,. При этом

2л

Q = и, где M — общее количество дискM ретных положений объекта при повороте.

В случае рассеивателя g Я борновского типа пространственный спектр рассеивателя ((Л).с точностью до постоянного множителя равен отношению комплексной амплитуды плоской волны, рассеянной в на- правлении К, к комплексной амплитуде плоской волны, падающей на объект в направлении t4 (Л = К- Kp). I 746219

Данной методике съема томографических данных (а измеряется амплитуда и фаза плоских рассеянных волн) в этом случае соответствует выборке компонент пространственного спектра объекта ((Jl), где ft

= (K» Kp», K()y K0y) в диапазоне Л t S2Ko в пространстве волновых векторов (K», Ky).

Для фиксированного угла В„направление падающего поля совпадает с положительным направлением оси ОХ. Векторная диаграмма волновых векторов для данного случая представлена на фиг. 2, Разностный вектор Л, образует с осью ОК» в пространстве волновых векторов угол.Я„, соответствующий m-му углу поворота объекта.

Совершение полного оборота объекта вокруг начала полярной системы координат в реальном пространстве при рассмотрении борновского приближения теории дифракционного рассеивания сопровождается образованием выборки дискретных компонент пространственного спектра в пространстве волновых векторов на окружности радиуса JTu<((фиг. 3).

Повторяя процедуру съема данных для каждого фиксированного угла О,, получают структуру данных о пространственном спектре исследуемого обьекта в пространстве волновых векторов, представленную на фиг;

4. При этом дискретизация по углу О„соответствует дискретизации по радиусу в пространстве волновых векторов. а дискретизация по углу поворота объекта Я соответствует дискретизации спектральных данных по углу в фурье-пространстве.

Таким образом, получают в пространстве волновых векторов выборки данных о пространственном спектре обьекта по концентрическим окружностям различных радиусов с общим центром в начале координат. Полученная структура данных о. пространственном спектре исследуемой неоднородности полностью совпадает с типичной структурой спектральных данных в лучевой вычислительной томографии, где применяются стандартные алгоритмы восстановления изображения неоднородности на основе структуры спектральных данных, соответствующей размещению данных на прямых, проходящих через начало координат.

Эти вычислительные алгоритмы основаны на процедуре интерполяции данных с круговых сеток в узлы зквидистантной прямоугольной сетки в пространства волновых векторов, которая требуется для выполнения обратного фурье-преобразования методом БПФ (быстрого преобразования

Фурье).

На фиг. 5 показано расположение точек (n Л, аЛЙ) в плоскости волновых векторов, в которых определяются значения фурьеобраза функции (. Эти точки, образующие

5 полярную систему, обозначены крестиками (Ж. — дискретизация этой полярной системы по радиусам, AQ — по углам), Кружками на фиг. 5 обозначены отсчеты (m hK», и ЛКу), I в которых необходимо знать значения спек"0 тра обьекта для его восстановления (ЛК» и

ЛКу) — дискретизация в прямоугольной системе координат), Полученная структура ультразвуковых томографических данных о пространственном спектре исследуемого объекта. учитывающих процесс дифракции на обьекте акустических волн, допускает полную адап; тацию существующих хорошо разработанных алгоритмов обработки томографи20 ческих данных, используемых в рентгеновской вычислительной томографии (где не учитываются явления дифракции зондирующего излучения).

Восстановление изображения исследуемого объекта производится путем однократного двухкоординатного обратного фурье-преобразования функции ((Jl) на декартовой прямоугольной сетке в пространстве волновых векторов в функцию ((r) в реальном пространстве.

Таким образом, предложенный способ дифракционного томографического исследования акустических объектов отличается от известных технических решений методом получения данных акустического рассеяния . непосредственно в виде значений пространственного спектра исследуемой неоднородости на полярной сетке в фурье-пространстве, что достигается изме40 рением в ходе исследования амплитуды и фазы рассеянных плоских волн, на которые производится физическое разложение рассеянного звукового поля с помощью протяженных линейных приемных преобразователей. Получаемая таким образом на полярной сетке в фурье-пространстве структура спектральных данных позволяет для дальнейшего восстановления изображения неодно родн ости испол ьзо вать ста ндартные, хорошо разработанные алгоритмы лучевой вычислительной томографии, Разложение рассеянного акустичечкого поля по плоским волнам позволяет также эффективно учитывать процесс многократного перерассеяния зондирующей волны на неоднородности. что необходимо для получения возможности восстановления высококонтрастных (неборновских) неоднородностей.

1746219 «

l Ъ

/ Л

« «

t

М

1

Ъ

ЛРУОЮ Ф

ЛЛОС/ЮЯ

Юлю образоВотель

Данный способ удобен для реализации в практических устройствам. позволяет использовать хорошо разработанные стандартные алгоритмы и программное .обеспечение рентгеновской вычислительной томографии и, следовательно. может найти широкое применение.

Формула изобретения

Способ томографической реконструкции акустических неоднородностей, заключающийся в облучении исследуемого объекта плоской ультразвуковой волной с фиксированного направления с воэможностью поворота объекта вокруг некоторой внутренней точки, являющейся одновременно центром поворота приемной акустической системы, измерении амплитуды и фазы рассеянного ультразвукового поля, учете дифракционных эффектов и обработке получаемых данных в фурье-пространстве с помощью 3ВМ, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и эффективности реконструкции эа счет упро5 щения процесса сбора данных и оптимизации процедуры обработки и возможности реконструкции высококонтрастных неоднородностей, разлагают рассеянное ультразвуковое поле на плоские акустические

10 волны с помощью приемной акустической системы, состоящей, как минимум, из одного протяженного линейного преобразователя; измеряют. амплитуду и фазу этих волн, организуют на основе результатов изме15 рений, структуру исходных данных для обработки на радиально-круговой сетке в фурье-пространстве, а обработку ведут с помощью стандартных алгоритмов лучевой вычислительной томографии, 20

1746219

1746219

Мк

- 2/е/

Составитель А.Глазков

Техред М,Моргентал Корректор Э.Лончакова

Редактор M.Øìàêîàà

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 2388 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5