基于超聲聚焦擾動(dòng)信息構(gòu)建靈敏度矩陣法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于過程成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于超聲聚焦擾動(dòng)信息構(gòu)建靈敏度矩陣法。
【背景技術(shù)】
[0002]電學(xué)層析成像(ElectricalTomography，ET)技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種過程成像技術(shù)，具有無輻射、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、非侵入、可視化以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，其在醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)護(hù)和工業(yè)多相流測量等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于ET具有軟場特性，其圖像重建過程是一個(gè)非線性逆問題的求解過程。
[0003]靈敏度矩陣往往用于ET的逆問題求解過程，靈敏度矩陣的引入可以使該非線性逆問題線性化，進(jìn)而簡化求解過程。靈敏度矩陣的準(zhǔn)確度直接影響ET圖像重建的精度。靈敏度矩陣反映了單元參數(shù)的擾動(dòng)對(duì)邊界檢測值的影響，或者說邊界檢測點(diǎn)的值對(duì)單元參數(shù)變化“感知”的靈敏度。靈敏度矩陣本身沒有解析表達(dá)式，通常有兩種計(jì)算方法:(I)試驗(yàn)擾動(dòng)法，即根據(jù)定義直接通過試驗(yàn)獲得；(2)仿真計(jì)算法，包括根據(jù)定義通過仿真計(jì)算求取，以及利用電磁場的互易性質(zhì)求解，其阻抗靈敏度的表達(dá)式最早由Geselowitz在1971年給出(Geselowitz D B, An applicat1n of electrocard1graphic lead theory toimpedance plethysmography, IEEE Trans.B1med.Eng., 1971, 18(1):38-41)，并由 Lehr給出了簡化形式(LehrJ, A vector derivat1n useful in impedance plethysmographicfield calculat1ns, IEEE Trans.B1med.Eng., 1972, 19(2):156-157)。
[0004]對(duì)于試驗(yàn)擾動(dòng)法而言，如2013年劉澤發(fā)表于《儀器儀表學(xué)報(bào)》(Chinese Journalof Scientific Instrument)第34卷，第1982-1988頁，題為《電磁層析成像靈敏度矩陣實(shí)驗(yàn)測試方法》(Experimental measurementmethod of sensitivity matrix forelectromagnetic tomography)的文章，首先獲得一組空?qǐng)?即沒有內(nèi)含物)的邊界測量數(shù)據(jù)，然后依次將測試試樣放置在傳感器內(nèi)的每個(gè)剖分單元位置，獲得測試試樣擾動(dòng)后的邊界測量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)再與空?qǐng)鰯?shù)據(jù)對(duì)比，根據(jù)靈敏度矩陣定義即獲得靈敏度矩陣。但是，由于測試試樣是對(duì)空?qǐng)霎a(chǎn)生的擾動(dòng)，該種方法計(jì)算的是空?qǐng)龅撵`敏度矩陣，而不是測量物場的靈敏度矩陣。對(duì)于仿真計(jì)算法而言，如2014年趙佳發(fā)表于《測量科學(xué)與技術(shù)》(Measurement Science and Technology)第 25 卷，文獻(xiàn)號(hào)為 085401，題為《一種快速的電學(xué)層析成像稀疏重建算法》(A fast sparse reconstruct1n algorithm for electricaltomography)的文章所用，是通過仿真計(jì)算靈敏度矩陣的分布，由于仿真過程設(shè)置的理想化的正問題模型和實(shí)際系統(tǒng)往往很難一致，導(dǎo)致計(jì)算出的靈敏度矩陣不能準(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)中介質(zhì)的微小擾動(dòng)對(duì)邊界測量值的影響。而且，由于介質(zhì)的真實(shí)分布為待求的未知量，通過仿真計(jì)算的也是空?qǐng)龅撵`敏度矩陣，而不是測量物場的靈敏度矩陣。在目前的ET圖像重建算法研宄過程中，通常假定場域內(nèi)的介質(zhì)分布變化不大，通過試驗(yàn)或者仿真計(jì)算出空?qǐng)龅撵`敏度矩陣，然后再利用該靈敏度矩陣求解ET的圖像重建逆問題。
[0005]但是，需要注意的是，靈敏度矩陣是局部線性近似的結(jié)果，隨電導(dǎo)率分布的變化而變化，理論上我們需要求解測量物場的靈敏度矩陣。在目前的圖像重建過程中，假設(shè)靈敏度矩陣不變，使用空?qǐng)龅撵`敏度矩陣，這勢必給圖像重建結(jié)果帶來較大誤差。為了緩解這一問題，如W Q Yang等人在2002年發(fā)表于《測量科學(xué)與技術(shù)》(MeasurementScience & Technology)第14卷，第R1-R13頁，題為《電容層析成像圖像重建算法》(Imagereconstruct1n algorithms for electrical capacitance tomography)的綜述文章中提到，基于靈敏度矩陣更新的圖像重建算法利用中間過程得到的重建圖像對(duì)靈敏度矩陣進(jìn)行更新計(jì)算，再用更新后的靈敏度矩陣進(jìn)行圖像重建，以提高重建圖像的質(zhì)量。但是，靈敏度矩陣更新過程需要進(jìn)行正問題求解，比較耗時(shí)。更重要的是中間過程得到的重建圖像與真實(shí)介質(zhì)分布有偏差，因此，相較于測量物場的靈敏度矩陣，該方法計(jì)算的靈敏度矩陣仍然有誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種構(gòu)件電學(xué)層析成像的靈敏度矩陣的方法。該方法通過聚焦超聲波對(duì)測量物場的掃描擾動(dòng)，利用擾動(dòng)信息，根據(jù)擾動(dòng)法近似計(jì)算測量物場的靈敏度矩陣。從而緩解目前采用空?qǐng)龅撵`敏度矩陣或者靈敏度矩陣更新方法進(jìn)行圖像重建工作帶來的誤差，提高圖像重建質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0007]一種基于超聲聚焦擾動(dòng)信息構(gòu)建靈敏度矩陣法，該方法通過聚焦超聲波對(duì)測量物場的掃描擾動(dòng)，利用聚焦超聲波擾動(dòng)前后測量的邊界測量電壓向量，計(jì)算測量物場的靈敏度矩陣，包括下列的步驟:
[0008]I)測量聚焦超聲換能器的焦斑尺寸
[0009]使傳聲器對(duì)準(zhǔn)聚焦超聲換能器，并使傳聲器的感應(yīng)單元處于聚焦超聲換能器的焦斑處，調(diào)節(jié)傳聲器的位置，測量聚焦超聲換能器的焦斑尺寸；
[0010]2)將測量物場劃分為I個(gè)擾動(dòng)區(qū)域，確定各個(gè)擾動(dòng)區(qū)域的位置信息，以及聚焦超聲波擬對(duì)各個(gè)擾動(dòng)區(qū)域的掃描順序
[0011]根據(jù)測量物場尺寸以及步驟I中測量得到的焦斑尺寸，將測量物場劃分為I個(gè)擾動(dòng)區(qū)域，劃分原則為:聚焦超聲換能器可以完成對(duì)整個(gè)測量物場的掃描，并且各擾動(dòng)區(qū)域不重疊，擾動(dòng)區(qū)域即為焦斑所覆蓋區(qū)域；記錄各個(gè)擾動(dòng)區(qū)域的位置信息，并確定聚焦超聲波擬對(duì)各個(gè)擾動(dòng)區(qū)域的掃描順序，從I至I;
[0012]3)在無超聲聚焦情況下，對(duì)測量物場實(shí)施電學(xué)層析成像的激勵(lì)、測量，獲得邊界測量電壓向量Φ
[0013]通過在激勵(lì)電極上施加電流激勵(lì)或者電壓激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測量物場施加電學(xué)激勵(lì)，采集循環(huán)激勵(lì)循環(huán)測量模式下的各個(gè)測量電極上的邊界電壓，構(gòu)成邊界測量電壓向量Φ，完成一次激勵(lì)測量過程；
[0014]4)在超聲聚焦情況下，聚焦超聲波擾動(dòng)每個(gè)擾動(dòng)區(qū)域i，同時(shí)再次對(duì)測量物場實(shí)施電學(xué)層析成像的激勵(lì)、測量，獲得邊界測量電壓向量Φ?
[0015]將聚焦超聲換能器垂直于測量物場，對(duì)每個(gè)擾動(dòng)區(qū)域i，I < i < I，在聚焦超聲波擾動(dòng)的同時(shí)，均完成一次步驟3)中電極陣列的激勵(lì)測量過程，獲得聚焦超聲波擾動(dòng)該擾動(dòng)區(qū)域時(shí)測量物場的邊界測量電壓向量
[0016]5)利用步驟3)和步驟4)分別測量得到的邊界電壓信號(hào)Φ和(J)i，通過如下公式計(jì)算每個(gè)擾動(dòng)區(qū)域i位置的靈敏度值，記為Ai,
[0017]Ai= Φ -Φ
[0018]Ai即為測量物場每個(gè)擾動(dòng)區(qū)域i位置的靈敏度值；
[0019]6)獲得整個(gè)測量物場的靈敏度分布A
[0020]由各個(gè)擾動(dòng)區(qū)域位置的靈敏度值，結(jié)合步驟I)中的各個(gè)擾動(dòng)區(qū)域的位置信息，得到整個(gè)測量物場的靈敏度分布A。
[0021]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022](I)本發(fā)明根據(jù)擾動(dòng)法近似計(jì)算得到測量物場的靈敏度矩陣，而不是空?qǐng)龅撵`敏度矩陣。
[0023](2)本發(fā)明是通過試驗(yàn)獲得靈敏度矩陣，相較于仿真計(jì)算方法，本方法與實(shí)際系統(tǒng)具有更好的一致性。
[0024](3)本發(fā)明在計(jì)算測量物場的靈敏度矩陣過程中，利用聚焦超聲波對(duì)測量物場聚焦域介質(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng)，通過測量邊界電壓值，進(jìn)而計(jì)算聚焦域的靈敏度值。因?yàn)榫劢褂虻拇笮∮删劢箵Q能器參數(shù)決定，一般是毫米數(shù)量級(jí)，所以該方法可以獲得較高精度的靈敏度矩陣分布O
【附圖說明】
[0025]以下附圖描述了本發(fā)明所選擇的實(shí)施例，均為示例性附圖而非窮舉或限制性，其中:
[0026]圖1為二維物場的電信號(hào)激勵(lì)測量模式示意圖；
[0027]圖2 (a)為設(shè)置的測量物場模型；
[0028]圖2 (b)為圖2 (a)測量物場模型所對(duì)應(yīng)的空?qǐng)瞿Ｐ停?br>[0029]圖3為不同靈敏度矩陣計(jì)算方法計(jì)算的不同電極對(duì)間的靈敏度矩陣結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0031]下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的基于超聲聚焦擾動(dòng)信息構(gòu)建靈敏度矩陣法加以說明，旨在作為本發(fā)明的實(shí)施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，對(duì)其他可實(shí)現(xiàn)相同功能的實(shí)施例也應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0032]本發(fā)明基于超聲聚焦擾動(dòng)信息構(gòu)建靈敏度矩陣法大概可以分為以下七個(gè)步驟:
[0033](I)測量聚焦超聲換能器的聚焦域的焦斑尺寸。<