用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置，包括：底座，軌道以及復(fù)數(shù)個(gè)滑塊。圓形軌道安裝在底座上，將超聲波換能器，包括超聲發(fā)射換能器以及超聲接收換能器分別安裝在復(fù)數(shù)個(gè)滑塊上，移動(dòng)滑塊使得超聲波換能器在軌道上的移動(dòng)，滑塊在軌道上的運(yùn)動(dòng)所圍成的區(qū)域?yàn)闃悠烦?，超聲波換能器對(duì)樣品池進(jìn)行不同角度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)多角度的超聲波測(cè)量。從而獲得大量的測(cè)量數(shù)量，提高圖像重建的精度。
【專利說(shuō)明】用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及超聲層析成像(Ultrasound Computed Tomography,簡(jiǎn)稱UCT)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于顆粒兩相體系中超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲層析成像技術(shù)是以超聲波為信息載體，通過(guò)物體外部檢測(cè)到的數(shù)據(jù)重建內(nèi)部信息的技術(shù)。它把被測(cè)對(duì)像分割成一系列薄片(橫截面)，分別給出每一薄片上的物體圖像，再將其疊加起來(lái)得到物體內(nèi)部的整體圖像。
[0003]超聲層析成像技術(shù)最早在醫(yī)學(xué)工程上得到廣泛的應(yīng)用，通?？蓱?yīng)用于診斷病變的形狀、位置、大小、甚至性質(zhì)等不正常狀況。它為醫(yī)學(xué)工程提供了一種安全、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉，對(duì)生物組織分辨率高的有效檢測(cè)和診斷工具。
[0004]該技術(shù)逐步地發(fā)展成一種很好的工業(yè)檢測(cè)技術(shù)，能夠得到有效的管道截面二維參數(shù)分布信息和流動(dòng)管道三維參數(shù)分布信息。但工業(yè)顆粒兩相流動(dòng)體系的聲阻抗差異很大，被重建物體的聲衰減系數(shù)變化不是緩慢的，因而不能用醫(yī)學(xué)工程中的圖像重建方法處理。還存在以下問(wèn)題:第一、所檢測(cè)的顆粒兩相體系通常具有強(qiáng)非均勻性，超聲波在顆粒界面上具有顯著的反射、折射、衍射特征，信號(hào)傳播路徑復(fù)雜。第二、觀測(cè)角度較少，且每個(gè)觀測(cè)角度下所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)更為有限，使后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和圖像重建困難很大。在管道周圍安裝大量發(fā)射和接收換能器可以有效增多觀測(cè)角度，但會(huì)受到被測(cè)管道、設(shè)備、裝置的幾何形狀的限制，同時(shí)增加了控制電路的復(fù)雜性，還可能使測(cè)量信號(hào)受控制電路自身噪聲的影響。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，所要解決的問(wèn)題是提供一種用于顆粒兩相體系超聲層析成像的能實(shí)現(xiàn)多角度測(cè)量的裝置，從而獲得大量的測(cè)量數(shù)量，提高圖像重建的精度。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，可以使用以下方案:
[0007]本實(shí)用新型一種用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置，包括:底座，軌道和復(fù)數(shù)個(gè)滑塊，分別為第一滑塊和第二滑塊，滑塊在軌道上移動(dòng)，并將超聲發(fā)射換能器與超聲接收換能器安裝在滑塊上實(shí)現(xiàn)多角度的測(cè)量，超聲波換能器分為超聲發(fā)射換能器與和超聲接收換能器，其特征在于，具有:底座呈現(xiàn)扁平狀的圓盤，軌道呈中空?qǐng)A柱形并固定在底座上，每一個(gè)滑塊的底部有圓弧形的開(kāi)口槽，開(kāi)口槽與軌道有相同的曲率，和寬于軌道的寬度，使得軌道穿過(guò)滑塊，并使滑塊契合在軌道上實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，在滑塊的外側(cè)底部設(shè)有底部小孔并延伸到與軌道接觸的開(kāi)口槽，用于安裝螺栓以固定滑塊和軌道，滑塊在高出軌道的部分設(shè)置了中心圓孔，并貫穿滑塊，第一滑塊的中心圓孔處安裝超聲發(fā)射換能器，第二滑塊的中心圓孔處安裝超聲接收換能器，滑塊的頂端設(shè)置頂端小孔，頂端小孔延伸到中心圓孔，用以安裝螺栓固定超聲波換能器。
[0008]進(jìn)一步，在軌道與底座交界的圓周旁標(biāo)有O?360°的刻度。
[0009]進(jìn)一步，滑塊在軌道上移動(dòng)所形成的區(qū)域?yàn)闇y(cè)量區(qū)，測(cè)量區(qū)即為超聲波換能器發(fā)射及接收超聲的測(cè)試區(qū)域。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置示意圖；
[0011]圖2是用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置平面示意圖；
[0012]圖3是用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置中的發(fā)射換能器某位置及其發(fā)射角內(nèi)對(duì)應(yīng)接收換能器的η個(gè)測(cè)量位置示意圖(η=13)；
[0013]圖4是用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置中使用的聲傳播的幾何聲學(xué)近似示意圖；
[0014]圖5是用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置的測(cè)量系統(tǒng)示意圖；
[0015]圖6是用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置中的信號(hào)矩陣與網(wǎng)格矩陣對(duì)應(yīng)位置示意圖；
[0016]圖7是用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置中的圖像重建算法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型所涉及的用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置的實(shí)施例說(shuō)明了具體細(xì)節(jié)。
[0018]圖1為用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置示意圖。
[0019]如圖1所示是用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置100包括:底座101，軌道102和復(fù)數(shù)個(gè)滑塊103，分別為第一滑塊和第二滑塊，滑塊103在軌道上移動(dòng)，并將超聲發(fā)射換能器104與超聲接收換能器105安裝在滑塊上實(shí)現(xiàn)多角度的測(cè)量。超聲換能器分為超聲發(fā)射換能器104與超聲接收換能器105。底座101呈現(xiàn)扁平狀的圓盤，軌道102呈中空?qǐng)A柱形并固定在底座101上，每一個(gè)滑塊103的底部有圓弧形的開(kāi)口槽301，圓弧形的開(kāi)口槽301與軌道102有相同的曲率，開(kāi)口槽301的寬度略寬于軌道102的寬度，使得軌道102穿過(guò)滑塊103，并使滑塊103契合在軌道102上實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，在滑塊103的外側(cè)底部設(shè)有頂端小孔302，用于安裝螺栓以固定滑塊103和軌道102，滑塊103在高出軌道102的部分設(shè)置了中心圓孔303，并貫穿滑塊103，第一滑塊的中心圓孔303處安裝超聲發(fā)射換能器104，第二滑塊的中心圓孔303處安裝超聲接收換能器105，滑塊103的頂端設(shè)置頂端小孔304，頂端小孔延伸到中心圓孔，用以安裝螺栓固定超聲換能器。通過(guò)帶動(dòng)滑塊103的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)超聲發(fā)射換能器104與超聲接收換能器105的移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)顆粒兩相體系超聲層析成像的多角度測(cè)量。
[0020]滑塊103在軌道102上移動(dòng)所圍成的區(qū)域?yàn)闇y(cè)量區(qū)106，測(cè)量區(qū)106即為超聲波換能器(包括超聲發(fā)射換能器104與超聲接收換能器105)的發(fā)射及接收超聲的測(cè)試區(qū)域。
[0021]圖2為用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置平面示意圖。
[0022]如圖2所示，在軌道102與底座101交界的圓周旁標(biāo)有O?360°的刻度。超聲波旋轉(zhuǎn)裝置100上標(biāo)有O?360度圓心角的刻度，360度與O度重合，用于精確改變超聲波換能器104的位置。為測(cè)量方便，可根據(jù)所測(cè)顆粒的大小和測(cè)量精度調(diào)整換能器每次移動(dòng)的步距。
[0023]圖3為用于顆粒兩相體系超聲層析成像的發(fā)射換能器某位置及其發(fā)射角內(nèi)對(duì)應(yīng)接收換能器的η個(gè)測(cè)量位置示意圖(η=13)。
[0024]如圖3所示，超聲發(fā)射換能器104發(fā)射的是扇形束超聲波，每束超聲波有一定的發(fā)射角，較小發(fā)射角可以增加成像的精度，但同時(shí)也減小了有效成像區(qū)域，可能造成離中心較遠(yuǎn)的小顆粒的漏檢。綜合以上兩個(gè)因素，本實(shí)施例選取具有合適發(fā)散角的換能器，超聲接收換能器105只需在其發(fā)射角對(duì)應(yīng)的測(cè)量區(qū)間移動(dòng)。一個(gè)具有60度發(fā)射角的超聲發(fā)射換能器104及其對(duì)應(yīng)的超聲接收換能器105步距為10度時(shí)的13個(gè)測(cè)量位置如圖所示，其中Pl代表超聲發(fā)射換能器104的某個(gè)測(cè)量位置，Ql?Q13代表對(duì)應(yīng)的超聲接收換能器105測(cè)量位置。
[0025]圖4為用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置中使用的聲傳播的幾何聲學(xué)近似示意圖。
[0026]如圖4所示，當(dāng)顆粒尺寸遠(yuǎn)大于聲波波長(zhǎng)時(shí)，在顆粒背面形成明顯的聲影區(qū)，稱聲傳播的幾何聲學(xué)近似，此時(shí)可以利用二值邏輯反投影圖像重建算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0027]圖5為用于顆粒兩相體系超聲層析成像測(cè)量系統(tǒng)示意圖(實(shí)線表示信號(hào)的傳遞過(guò)程，虛線表示換能器旋轉(zhuǎn)裝置使兩個(gè)超聲波換能器在測(cè)量區(qū)周圍進(jìn)行多角度測(cè)量)。
[0028]如圖5所示，為了研究氣泡兩相泡狀流的層析成像，搭建了基于超聲波換能器旋轉(zhuǎn)裝置100的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并安裝了兩個(gè)滑塊。首先將超聲發(fā)射換能器104安裝在第一滑塊上，將超聲發(fā)射換能器104發(fā)射端對(duì)向測(cè)量區(qū)106，超聲發(fā)射換能器104另一端連接到脈沖發(fā)射接收儀的發(fā)射接口，超聲接收換能器105安裝在第二滑塊上，將超聲接收換能器105接收端對(duì)向測(cè)量區(qū)106，超聲接收收105另一端連接到脈沖發(fā)射接收儀的接收接口。
[0029]利用空氣泵產(chǎn)生氣泡，并將氣泡引導(dǎo)到測(cè)量區(qū)106。根據(jù)測(cè)量的精度和實(shí)驗(yàn)的方便，預(yù)先選擇有所需發(fā)射角的超聲發(fā)射換能器104和超聲接收換能器105，確定它們的移動(dòng)步距。首先，將發(fā)射換能器104位置固定到O度，旋轉(zhuǎn)接收換能器105 (在發(fā)射換能器發(fā)散角內(nèi)對(duì)應(yīng)的各位置)進(jìn)行測(cè)量、信號(hào)處理與保存。然后依次改變發(fā)射換能器104位置(O?360度)，重復(fù)以上測(cè)量過(guò)程，就得到了不同發(fā)射和接收位置下的多角度測(cè)量信號(hào)。
[0030]超聲換能器可實(shí)現(xiàn)電能與聲能的轉(zhuǎn)換，安裝在換能器旋轉(zhuǎn)裝置100上的超聲發(fā)射換能器104 (將電能轉(zhuǎn)換成聲能)在脈沖發(fā)射接收儀的激勵(lì)下產(chǎn)生脈沖聲波，經(jīng)測(cè)量區(qū)106的樣品，即本實(shí)施例的氣泡，衰減后由接收換能器105接收(將聲能轉(zhuǎn)換成電能)，經(jīng)過(guò)脈沖發(fā)射接收儀接收后，送入信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終利用計(jì)算機(jī)中內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行圖像重建和保存。
[0031]根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱和二值邏輯反投影圖像重建算法反演出最為接近真實(shí)情況的測(cè)量區(qū)物體的圖像。
[0032]二值邏輯反投影圖像重建算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0033]步驟S1-101:
[0034]分別測(cè)量無(wú)顆粒時(shí)發(fā)射傳感器位于不同位置時(shí)，接收換能器在各角度接收的信號(hào)。
[0035]步驟S1-102:
[0036]分別測(cè)量有顆粒時(shí)發(fā)射傳感器位于不同位置時(shí)，接收換能器在各角度接收的信號(hào)，與無(wú)顆粒時(shí)對(duì)應(yīng)位置的信號(hào)幅值相除得到有無(wú)顆粒時(shí)的接收信號(hào)幅值比。接收換能器在顆粒幾何陰影區(qū)時(shí)會(huì)接收到弱的信號(hào)，在幾何亮區(qū)時(shí)會(huì)接收到與無(wú)顆粒時(shí)接近的正常信號(hào)，選擇合適的閾值，得到一個(gè)信號(hào)矩陣S (m，η)。其中m為發(fā)射換能器測(cè)量位置個(gè)數(shù)，η為每個(gè)發(fā)射換能器位置對(duì)應(yīng)的接收換能器測(cè)量位置個(gè)數(shù)(在發(fā)射換能器發(fā)射角內(nèi)測(cè)量次數(shù))。第i個(gè)發(fā)射位置對(duì)應(yīng)的第j個(gè)接收位置的信號(hào):
[0037]
,Ν ?ο 弱信號(hào)《有顆粒
S(?V/) = |l 正常信號(hào)《無(wú)顆粒(卜 1，2，3，...，《;) = 1，2，3，...《)
[0038]步驟S1-103:
[0039]將成像截面的外切正方形劃分成NXN的網(wǎng)格，然后在計(jì)算程序中定義一個(gè)網(wǎng)格矩陣M (N, N)，這樣網(wǎng)格與矩陣的元素一一對(duì)應(yīng)，且矩陣中元素的數(shù)值就可以表示對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的狀態(tài)。
[0040]圖6為用于顆粒兩相體系超`聲層析成像的信號(hào)矩陣與網(wǎng)格矩陣對(duì)應(yīng)位置示意圖。
[0041]如圖6所示，通過(guò)二值信號(hào)矩陣和網(wǎng)格矩陣，就能確定有效投影區(qū)域，即顆粒存在形成的超聲信號(hào)陰影對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格區(qū)域在成像截面中的位置，并將所有的有效投影區(qū)域保存在不同的網(wǎng)格矩陣中。其中，圓周上的小圓代表一些典型的超聲波換能器測(cè)量位置。
[0042]步驟S1-104:
[0043]圖7為用于顆粒兩相體系超聲層析成像的圖像重建算法示意圖。
[0044]如圖7所示，利用矩陣的邏輯與運(yùn)算，求出所有有效投影區(qū)域的公共投影區(qū)域，這些公共投影區(qū)域就是重建的顆粒圖像。其中，Ρ2~Ρ5分別表示超聲發(fā)射換能器104的幾個(gè)典型測(cè)量點(diǎn)位置、Q14~Q21分別表示超聲接收換能器105的幾個(gè)典型測(cè)量點(diǎn)位置。
[0045]步驟S1-105:
[0046]通過(guò)濾波和圖像增強(qiáng)的手段，優(yōu)化圖像重建的結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置，包括:底座，軌道和復(fù)數(shù)個(gè)滑塊，分別為第一滑塊和第二滑塊，所述滑塊在軌道上移動(dòng)，并將超聲發(fā)射換能器與超聲接收換能器安裝在滑塊上實(shí)現(xiàn)多角度的測(cè)量，超聲波換能器分為超聲發(fā)射換能器與和超聲接收換能器，其特征在于，具有: 底座呈現(xiàn)扁平狀的圓盤，軌道呈中空?qǐng)A柱形并固定在所述底座上，每一個(gè)所述滑塊的底部有圓弧形的開(kāi)口槽，所述開(kāi)口槽與所述軌道有相同的曲率，和寬于所述軌道的寬度，使得所述軌道穿過(guò)滑塊，并使滑塊契合在所述軌道上實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，在所述滑塊的外側(cè)底部設(shè)有底部小孔并延伸到與所述軌道接觸的開(kāi)口槽，用于安裝螺栓以固定所述滑塊和軌道，所述滑塊在高出軌道的部分設(shè)置了中心圓孔，并貫穿所述滑塊，所述第一滑塊的中心圓孔處安裝超聲發(fā)射換能器，所述第二滑塊的中心圓孔處安裝超聲接收換能器，所述滑塊的頂端設(shè)置頂端小孔，所述頂端小孔延伸到所述中心圓孔，用以安裝螺栓固定所述超聲波換能器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置，其特征在于: 其中，在所述軌道與底座交界的圓周旁標(biāo)有O?360°的刻度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于顆粒兩相體系超聲層析成像的超聲換能器旋轉(zhuǎn)裝置，其特征在于: 其中，所述滑塊在軌道上移動(dòng)所圍成的區(qū)域?yàn)闇y(cè)量區(qū)，所述測(cè)量區(qū)即為所述超聲波換能器發(fā)射及接收超聲的測(cè)試區(qū)域。
【文檔編號(hào)】G01N29/265GK203432946SQ201320488208
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】陳麗, 蘇明旭, 蔡小舒, 劉金全, 陳孝震 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)