CN108061760A - 超声快速超分辨率成像方法、装置、存储介质及成像系统 - Google Patents

超声快速超分辨率成像方法、装置、存储介质及成像系统 Download PDF

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CN108061760A CN201810081858.3A CN201810081858A CN108061760A CN 108061760 A CN108061760 A CN 108061760A CN 201810081858 A CN201810081858 A CN 201810081858A CN 108061760 A CN108061760 A CN 108061760A
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Abstract

本发明公开了一种超声快速超分辨率成像方法、装置、存储介质及成像系统，该方法包括：对线性阵列配置多种阵元组合，阵元组合为选择线性阵列中至少部分阵元作为阵元单元；对配置好的多种阵元组合采用全矩阵采集方法获取多组超声阵列数据；选择成像区域，利用超分辨率成像方法处理不同配置方案对应的超声阵列数据，得到与各配置方案对应的超声图像；记录获取各超声图像对应的成像时间，并量化评估各超声图像的成像质量；选择成像质量达到预设标准且成像时间最短的配置方案进行成像控制。本发明实现了经软件改进控制策略，在获取高质量超声图像的同时加快成像速度，避免了增加系统的硬件成本的问题。

Description

超声快速超分辨率成像方法、装置、存储介质及成像系统
技术领域
本发明涉及超声波成像领域，特别地，涉及一种超声快速超分辨率成像方法、装置、存储介质及成像系统。
背景技术
超声相控阵成像检测在工业无损检测领域得到广泛应用，基于实际检测对象特征，线性阵列较为常用，通用工作模式为：通过全矩阵采集方法获取超声阵列数据，将数据存储后进行离线处理，采用不同的成像方法处理相同的超声阵列数据，得到不同的超声图像，其中，由超分辨率成像方法得到的超声图像分辨率高、图像质量好，能够准确反映检测对象内部特征。全矩阵采集方法利用线性阵列中的任意一对阵元组合作为发射阵元和接收阵元，由其得到的超声阵列数据携带与被测对象相关的最大信息量，但是同时也存在数据冗余，导致利用超分辨率成像方法实现超声成像需要的时间长，未能实现快速成像，限制了其实际工业应用。
现有的加快超声成像速度的方法主要是提高硬件性能，利用图形处理器GPU取代目前使用的中央处理器CPU，通过并行计算加速超声成像，但是，该方法增加了硬件成本。由于现有方法通过提升硬件性能来减少超声成像需要的时间，增加了系统的硬件成本，是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种超声快速超分辨率成像方法、装置、存储介质及成像系统，以解决现有的超声成像由于处理信息量大、导致超分辨率成像方法处理耗时长且依赖硬件性能导致硬件成本高的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种超声快速超分辨率成像方法，用于超声成像系统的成像控制，本发明超声快速超分辨率成像方法包括：
对线性阵列配置多种阵元组合，阵元组合为选择线性阵列中至少部分阵元作为阵元单元；
对配置好的多种阵元组合采用全矩阵采集方法获取多组超声阵列数据；
选择成像区域，利用超分辨率成像方法处理不同配置方案对应的超声阵列数据，得到与各配置方案对应的超声图像；
记录获取各超声图像对应的成像时间，并量化评估各超声图像的成像质量；
选择成像质量达到预设标准且成像时间最短的配置方案进行成像控制。
进一步地，对线性阵列配置多种阵元组合包括：
对线性阵列选择间隔零个阵元提取单个阵元作为第一阵元组合；
对线性阵列选择间隔奇数个阵元提取单个阵元作为第二阵元组合；
其中，线性阵列的阵元数量为偶数个，第二阵元组合的组数为至少两组。
进一步地，成像区域为矩形或者方形，超声图像为利用超分辨率成像方法计算成像区域内各像素点的强度值得到。
进一步地，量化评估各超声图像的成像质量包括：
根据成像区域内各超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量。
进一步地，根据成像区域内各超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量包括：
取各横向曲线的峰值点A，B以及中间点C对应的强度值，定义第一参数△；
Δ＝max(IA-IC,IB-IC)，其中，IA为点A对应的强度值、IB为点B对应的强度值、IC为点C对应的强度值；
定义第二参数Φ；
其中，△标准为第一阵元组合对应的第一参数，△i为任一第二阵元组合对应的第一参数，Φi为任一第二阵元组合对应的第二参数；
根据第二参数评估各第二阵元组合对应的超声图像相对于标准图像的成像质量，标准图像为第一阵元组合对应的超声图像。
根据本发明的另一方面，还提供一种超声成像装置，用于超声成像系统的成像控制，本发明超声成像装置包括：
阵列配置模块，用于对线性阵列配置多种阵元组合，阵元组合为选择线性阵列中至少部分阵元作为阵元单元；
数据获取模块，用于对配置好的多种阵元组合采用全矩阵采集方法获取多组超声阵列数据；
成像模块，用于选择成像区域，利用超分辨率成像方法处理不同配置方案对应的超声阵列数据，得到与各配置方案对应的超声图像；
成像参数记录模块，用于记录获取各超声图像对应的成像时间，并量化评估各超声图像的成像质量；
选择模块，用于选择成像质量达到预设标准且成像时间最短的配置方案进行成像控制。
进一步地，成像参数记录模块包括：
时间参数记录模块，用于记录获取各超声图像对应的成像时间；
图像质量量化模块，用于根据成像区域内各超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量。
进一步地，图像质量量化模块包括：
第一参数计算单元，用于取各横向曲线的峰值点A，B以及中间点C对应的强度值，定义第一参数△；
Δ＝max(IA-IC,IB-IC)，其中，IA为点A对应的强度值、IB为点B对应的强度值、IC为点C对应的强度值；
第二参数计算单元，用于定义第二参数Φ；
其中，△标准为第一阵元组合对应的第一参数，△i为任一第二阵元组合对应的第一参数，Φi为任一第二阵元组合对应的第二参数；
质量评估单元，用于根据第二参数评估各第二阵元组合对应的超声图像相对于标准图像的成像质量，标准图像为第一阵元组合对应的超声图像。
根据本发明的另一方面，还提供一种存储介质，该存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在的设备执行本发明的超声快速超分辨率成像方法。
根据本发明的另一方面，还提供一种超声成像系统，包括：
线性阵列，用于对称布置于待测件表面，以发射和接收超声波信号；
阵列控制器，与线性阵列连接，用于控制线性阵列中的各个阵元的工作模式；
处理器，与阵列控制器连接，用于运行程序，程序运行时执行本发明的超声快速超分辨率成像方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明超声快速超分辨率成像方法、装置、存储介质及成像系统，通过对线性阵列配置多种阵元组合，并利用全矩阵采集方法获取对应的多组超声阵列数据，由超分辨率成像方法处理得到不同的超声图像，选取成像质量达到预定标准且成像时间最短的配置方案进行成像控制，从而实现了经软件改进控制策略，在获取高质量超声图像的同时加快成像速度，避免了增加系统的硬件成本的问题。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例超声成像系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例超声快速超分辨率成像方法的流程示意图；
图3是本发明优选实施例线性阵列阵元配置方案的示意图；
图4是本发明优选实施例成像区域和像素点的示意图；
图5是本发明优选实施例中64阵元对应的超声图像示意图；
图6是本发明优选实施例中32阵元对应的超声图像示意图；
图7是本发明优选实施例中16阵元对应的超声图像示意图；
图8是本发明优选实施例中8阵元对应的超声图像示意图；
图9是本发明优选实施例中64阵元对应的横向曲线示意图；
图10是本发明优选实施例中32阵元对应的横向曲线示意图；
图11是本发明优选实施例中16阵元对应的横向曲线示意图；
图12是本发明优选实施例中8阵元对应的横向曲线示意图；
图13是本发明优选实施例超声成像装置的原理方框示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1示出了本发明优选实施例超声成像系统的结构示意图。参照图1，本实施例超声成像系统包括计算机10、阵列控制器20、线性阵列30和试块40。系统工作时，线性阵列30通过耦合剂50与试块40连接，并且按照对称方式布置在试块40表面，用于发射和接收超声信号；阵列控制器20一端与线性阵列30连接，用于控制线性阵列30中各个阵元的工作模式，一端连入计算机10；计算机10包括存储器、处理器11和显示器12，其中，存储器保存采集得到的超声阵列数据，处理器11执行软件程序，处理超声阵列数据，得到成像结果，并以超声图像的方式显示在显示器12上，给出直观的结果。本实施例中，作为列举而不构成限制，线性阵列30的中心频率为5MHz，包含64个阵元。试块40由不锈钢板材制成，不锈钢块的内部有两个直径为1mm的贯通孔，贯通孔的间距d＝λ，贯通孔与阵列传感器的距离z＝39λ，λ为超声波在不锈钢块内传播时的波长。
参照图2，本发明的优选实施例提供了一种超声快速超分辨率成像方法，用于上述超声成像系统的成像控制，本实施例超声快速超分辨率成像方法包括：
步骤S100，对线性阵列配置多种阵元组合，阵元组合为选择线性阵列中至少部分阵元作为阵元单元；
步骤S200，对配置好的多种阵元组合采用全矩阵采集方法获取多组超声阵列数据；
步骤S300，选择成像区域，利用超分辨率成像方法处理不同配置方案对应的超声阵列数据，得到与各配置方案对应的超声图像；
步骤S400，记录获取各超声图像对应的成像时间，并量化评估各超声图像的成像质量；
步骤S500，选择成像质量达到预设标准且成像时间最短的配置方案进行成像控制。
优选地，步骤S100中，对线性阵列配置多种阵元组合包括：
对线性阵列选择间隔零个阵元提取单个阵元作为第一阵元组合；
对线性阵列选择间隔奇数个阵元提取单个阵元作为第二阵元组合；
其中，线性阵列的阵元数量为偶数个，第二阵元组合的组数为至少两组。
优选地，成像区域为矩形或者方形，超声图像为利用超分辨率成像方法计算成像区域内各像素点的强度值得到。
优选地，量化评估各超声图像的成像质量包括：
根据成像区域内各超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量。
优选地，根据成像区域内各超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量包括：
取各横向曲线的峰值点A，B以及中间点C对应的强度值，定义第一参数△；
Δ＝max(IA-IC,IB-IC)，其中，IA为点A对应的强度值、IB为点B对应的强度值、IC为点C对应的强度值；
定义第二参数Φ；
其中，△标准为第一阵元组合对应的第一参数，△i为任一第二阵元组合对应的第一参数，Φi为任一第二阵元组合对应的第二参数；
根据第二参数评估各第二阵元组合对应的超声图像相对于标准图像的成像质量，标准图像为第一阵元组合对应的超声图像，当第二参数的值越小则表明超声图像的成像质量与标准图像越接近。
下面以图1示出的超声成像系统为例，对本实施例超声快速超分辨率成像方法的步骤进行说明：
第一步，配置阵元，选择线性阵列中的部分阵元为发射阵元和接收阵元，配置方案如图3所示，对于一个包含64阵元的线性阵列，提出4种配置方案。
配置一：间隔0个阵元选择1个阵元，选择线性阵列的64个阵元为发射和接收阵元；
配置二：间隔1个阵元选择1个阵元，选择线性阵列的32个阵元为发射和接收阵元；
配置三：间隔3个阵元选择1个阵元，选择线性阵列的16个阵元为发射和接收阵元；
配置四：间隔7个阵元选择1个阵元，选择线性阵列的8个阵元为发射和接收阵元。
第二步，对于每一种配置方案，利用全矩阵采集方法获取对应的超声阵列数据。对于包含N(＝64,32,16,8)个阵元的线性阵列，取其第1个阵元为发射阵元，同时1～N个阵元为接收阵元，获取N个时域信号；取其第2个阵元为发射阵元，同时1～N个阵元为接收阵元，获取N个时域信号；依次类推，取其第N个阵元为发射阵元，同时1～N个阵元为接收阵元，获取N个时域信号，采用该方法获取的超声阵列数据共包括N×N个时域信号。上述4种配置方案下得到的超声阵列数据为S64，S32，S16，S8。
第三步，选择一个方形的成像区域，设定像素点，其坐标位置为(x,z)，如图4所示。利用超分辨率成像方法计算每一个像素点的强度值I(x,z)，即可得到对应的超声图像。
第四步，利用超分辨率成像方法处理不同配置方案下得到的超声阵列数据S64，S32，S16，S8，得到的超声图像如图5至图8所示，记录的对应的成像时间分别为t64＝22.35s，t32＝15.36s，t16＝12.18s和t8＝10.45s。将t64作为标准时间，不同配置方案下的成像时间为标准时间的t32/t64×100％＝68.7％，t16/t64×100％＝54.5％，t8/t64×100％＝46.8％。比较图5至图8可知，利用超分辨率成像方法处理S64，S32，S16得到的超声图像的峰值点坐标位置与不锈钢块内的贯通孔位置吻合，利用超分辨率成像方法处理S8得到的超声图像的峰值点坐标位置与不锈钢块内的贯通孔位置存在偏差。
第五步，根据超声图像，定义参数，量化评估超声图像质量。根据图5至图8所示超声图像，经过其强度最大值所对应像素点的横向曲线如图9至图12所示，取曲线的峰值点A，B以及中间点C对应的强度，定义参数Δ，计算公式如(1)。计算得到的Δ64＝27.76dB，Δ32＝25.72dB，Δ16＝26.46dB，Δ8＝30.78dB。
Δ＝max(IA-IC,IB-IC) (1)
将Δ64作为标准，定义参数Φ，计算公式如(2)：
计算得到的Φ32＝7.3％，Φ16＝4.7％，Φ8＝10.9％，因此，当选择线性阵列中的16个阵元为发射和接收阵元，得到的超声图像与标准图像质量最为接近，同时，成像时间缩减至原来的54.5％。因此，本实施例提出的方法，在不影响超声图像质量的前提下，在不增加系统硬件成本的情况下，加快了超声成像速度。
根据本发明的另一方面，还提供一种超声成像装置，用于超声成像系统的成像控制，该超声成像装置用于执行上述实施例的超声快速超分辨率成像方法，参见图13，本实施例超声成像装置包括：
阵列配置模块100，用于对线性阵列配置多种阵元组合，阵元组合为选择线性阵列中至少部分阵元作为阵元单元；
数据获取模块200，用于对配置好的多种阵元组合采用全矩阵采集方法获取多组超声阵列数据；
成像模块300，用于选择成像区域，利用超分辨率成像方法处理不同配置方案对应的超声阵列数据，得到与各配置方案对应的超声图像；
成像参数记录模块400，用于记录获取各超声图像对应的成像时间，并量化评估各超声图像的成像质量；
选择模块500，用于选择成像质量达到预设标准且成像时间最短的配置方案进行成像控制。
优选地，成像参数记录模块400包括：
时间参数记录模块，用于记录获取各超声图像对应的成像时间；
图像质量量化模块，用于根据成像区域内各超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量。
优选地，图像质量量化模块包括：
第一参数计算单元，用于取各横向曲线的峰值点A，B以及中间点C对应的强度值，定义第一参数△；
Δ＝max(IA-IC,IB-IC)，其中，IA为点A对应的强度值、IB为点B对应的强度值、IC为点C对应的强度值；
第二参数计算单元，用于定义第二参数Φ；
其中，△标准为第一阵元组合对应的第一参数，△i为任一第二阵元组合对应的第一参数，Φi为任一第二阵元组合对应的第二参数；
质量评估单元，用于根据第二参数评估各第二阵元组合对应的超声图像相对于标准图像的成像质量，标准图像为第一阵元组合对应的超声图像。
本实施例超声成像装置的具体执行过程可以参照上述方法实施例，在此不做赘述。
根据本发明的另一方面，还提供一种存储介质，该存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在的设备执行本发明实施例的超声快速超分辨率成像方法。
根据本发明的另一方面，还提供一种超声成像系统，包括：
线性阵列，用于对称布置于待测件表面，以发射和接收超声波信号；
阵列控制器，与线性阵列连接，用于控制线性阵列中的各个阵元的工作模式；
处理器，与阵列控制器连接，用于运行程序，程序运行时执行本发明实施例的超声快速超分辨率成像方法。
本实施例超声快速超分辨率成像方法、装置、存储介质及成像系统，通过对线性阵列配置多种阵元组合，并利用全矩阵采集方法获取对应的多组超声阵列数据，由超分辨率成像方法处理得到不同的超声图像，选取成像质量达到预定标准且成像时间最短的配置方案进行成像控制，从而实现了经软件改进控制策略，在获取高质量超声图像的同时加快成像速度，避免了增加系统的硬件成本的问题。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本实施例方法所述的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声快速超分辨率成像方法，用于超声成像系统的成像控制，其特征在于，所述超声快速超分辨率成像方法包括：
对线性阵列配置多种阵元组合，所述阵元组合为选择所述线性阵列中至少部分阵元作为阵元单元；
对配置好的多种所述阵元组合采用全矩阵采集方法获取多组超声阵列数据；
选择成像区域，利用超分辨率成像方法处理不同配置方案对应的所述超声阵列数据，得到与各配置方案对应的超声图像；
记录获取各所述超声图像对应的成像时间，并量化评估各所述超声图像的成像质量；
选择所述成像质量达到预设标准且所述成像时间最短的配置方案进行成像控制。
2.根据权利要求1所述的超声快速超分辨率成像方法，其特征在于，
所述对线性阵列配置多种阵元组合包括：
对所述线性阵列选择间隔零个阵元提取单个阵元作为第一阵元组合；
对所述线性阵列选择间隔奇数个阵元提取单个阵元作为第二阵元组合；
其中，所述线性阵列的阵元数量为偶数个，所述第二阵元组合的组数为至少两组。
3.根据权利要求2所述的超声快速超分辨率成像方法，其特征在于，
所述成像区域为矩形或者方形，所述超声图像为利用超分辨率成像方法计算所述成像区域内各像素点的强度值得到。
4.根据权利要求3所述的超声快速超分辨率成像方法，其特征在于，
所述量化评估各所述超声图像的成像质量包括：
根据所述成像区域内各所述超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量。
5.根据权利要求4所述的超声快速超分辨率成像方法，其特征在于，
所述根据所述成像区域内各所述超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量包括：
取各横向曲线的峰值点A，B以及中间点C对应的强度值，定义第一参数△；
Δ＝max(IA-IC,IB-IC)，其中，IA为点A对应的强度值、IB为点B对应的强度值、IC为点C对应的强度值；
定义第二参数Φ；
其中，△标准为第一阵元组合对应的第一参数，△i为任一第二阵元组合对应的第一参数，Φi为任一第二阵元组合对应的第二参数；
根据第二参数评估各第二阵元组合对应的超声图像相对于标准图像的成像质量，所述标准图像为所述第一阵元组合对应的超声图像。
6.一种超声成像装置，用于超声成像系统的成像控制，其特征在于，所述超声成像装置包括：
阵列配置模块，用于对线性阵列配置多种阵元组合，所述阵元组合为选择所述线性阵列中至少部分阵元作为阵元单元；
数据获取模块，用于对配置好的多种所述阵元组合采用全矩阵采集方法获取多组超声阵列数据；
成像模块，用于选择成像区域，利用超分辨率成像方法处理不同配置方案对应的所述超声阵列数据，得到与各配置方案对应的超声图像；
成像参数记录模块，用于记录获取各所述超声图像对应的成像时间，并量化评估各所述超声图像的成像质量；
选择模块，用于选择所述成像质量达到预设标准且所述成像时间最短的配置方案进行成像控制。
7.根据权利要求6所述的超声成像装置，其特征在于，
所述成像参数记录模块包括：
时间参数记录模块，用于记录获取各所述超声图像对应的成像时间；
图像质量量化模块，用于根据所述成像区域内各所述超声图像的像素点强度最大值对应的横向曲线量化评估成像质量。
8.根据权利要求7所述的超声成像装置，其特征在于，
所述图像质量量化模块包括：
第一参数计算单元，用于取各横向曲线的峰值点A，B以及中间点C对应的强度值，定义第一参数△；
Δ＝max(IA-IC,IB-IC)，其中，IA为点A对应的强度值、IB为点B对应的强度值、IC为点C对应的强度值；
第二参数计算单元，用于定义第二参数Φ；
其中，△标准为第一阵元组合对应的第一参数，△i为任一第二阵元组合对应的第一参数，Φi为任一第二阵元组合对应的第二参数；
质量评估单元，用于根据第二参数评估各第二阵元组合对应的超声图像相对于标准图像的成像质量，所述标准图像为所述第一阵元组合对应的超声图像。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1至5任一所述的超声快速超分辨率成像方法。
10.一种超声成像系统，其特征在于，包括：
线性阵列，用于对称布置于待测件表面，以发射和接收超声波信号；
阵列控制器，与所述线性阵列连接，用于控制所述线性阵列中的各个阵元的工作模式；
处理器，与所述阵列控制器连接，用于运行程序，所述程序运行时执行如权利要求1至5任一所述的超声快速超分辨率成像方法。
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