FI65677C

FI65677C - Holografisk b-avbildningsmetod

Info

Publication number: FI65677C
Application number: FI810368A
Authority: FI
Inventors: Esko Alasaarela
Original assignee: Esko Alasaarela
Priority date: 1981-02-09
Filing date: 1981-02-09
Publication date: 1984-06-11
Also published as: EP0083584B1; DE3272962D1; WO1982002781A1; FI65677B; FI810368L; JPS58500495A; EP0083584A1

Description

1 65677

Holografinen B-kuvamenetelmä

Keksintö liittyy ultraäänikuvaukseen ja sen perustana ovat olleet nk. B-kuvamenetelmä ja holografiaperi-5 aate.

Eräs B-kuvamenetelmän pahimmista heikkouksista on ollut sen huono poikittaissuuntainen resoluutio (erotuskyky) , mikä johtaa huonoon kuvan laatuun. Käytännössä onkin havaittu, että mm. lääketieteen alueella tarvitaan 10 ultraäänikuvausmenetelmää, jolla saavutetaan parempi resoluutio kuin nykyisellä B-kuvamenetelmällä.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa em. epäkohta ja aikaansaada uusi paremman resoluution ultraäänikuvausmene-telmä. Samalla, koska menetelmässä käytetään holografia-15 periaatetta numeerisesti tapahtuvalla aaltorintaman palau-tusmenetelmällä, saadaan tehokkaasti käyttöön laaja valikoima erilaisia kuvansuodatusmenetelmiä ja menetelmiä, joilla voidaan kompensoida aaltorintaman etenemisessä tapahtuvia virheitä ja häiriöitä.

20 Keksinnön perusidean mukaisesti kohteelle suorite taan sekä B-kuvaus että holografinen kuvaus.

Em. perusidean puitteissa keksinnön mukaiselle menetelmällä on pääasiallisesti tunnusomaista, että kuvauskohteelle suoritetaan ensin tavanomainen B-kuvaus hyvän 25 pitkittäisresoluution aikaansaamiseksi, että sen jälkeen kohteen jokaiselle syvyydelle eli etäisyydelle anturista suoritetaan holografinen ultraäänikuvaus, jossa rekonstruointi suoritetaan aaltorintaman palautuksen periaatetta käyttäen, hyvän poikittaisresoluution aikaansaamiseksi ja 30 että tuloksena saatavat kaksi kuvaa yhdistetään piste pisteeltä kertomalla tai muulla tavalla hyvän resoluution aikaansaamiseksi molemmissa suunnissa. Saman idean perusteella voi kuitenkin keksinnölle olla tunnusomaista, että kuvauskohteelle suoritetaan samanaikaisesti tavanomainen 35 B-kuvaus ja holografinen ultraäänikuvaus siten, että 2 65677 kustakin hologrammialueen pisteestä lähetetään kohteeseen ultraäänipursti ja heijastuneesta ultraäänestä mitataan kulkuajan funktiona amplitudi ja vaihekulma-arvot sopivin näytevälein ja että saadusta amplitudi- ja vaihekulmada-5 tästä rekonstruoidaan kuva tietokoneessa matemaattista prosessia käyttäen samaan tapaan kuin vastaavanlaisessa SAR-tutkassa, jolloin tarvitaan vain yksi kuvaus lopullisen kuvan aikaansaamiseksi.

Keksinnön mukaisessa kuvausmenetelmässä käytetyssä 10 kuvan rekonstruointimenetelmässä kohteesta kultakin syvyydeltä anturille heijastunut aaltorintama palautetaan laskennallisesti tietokoneessa alkuperäiselle paikalleen, jolloin tämän palautetun aaltorintaman intensiteettikuva antaa kyseistä syvyyttä vastaavan juovan kuvaan. Aaltorin-15 tämän palauttaminen suoritetaan laskemalla anturilta saatavalle aaltorintamalle tilataajuusspektri (paikkariippu-vainen taajuusspektri), siirtämällä tämä spektri kyseiselle kohteen syvyydelle ja laskemalla siirretystä spektristä käänteisesti ko. kohteen syvyyttä vastaava aaltorintama.

20 Keksinnön mukaisen kuvausmenetelmän pääasiallinen etu on sillä saavutettava hyvä resoluutio sekä pituus-että poikittaissuunnassa. Tämä johtuu siitä, että B-kuvaus antaa hyvän pitkittäisresoluution ja holografinen kuvaus suoritettuna kullekin kohteen etäisyydelle anturista an-25 taa hyvän poikittaisresoluution. Keksinnön mukaisella menetelmällä saatu kuva vastaa normaalia B-kuvaa mutta on resoluutioltaan sitä parempi.

Keksintöä ryhdytään seuraavaksi kuvaamaan liitteinä olevien kuvien avulla, joissa 30 kuva 1 esittää tyypillistä B-kuvamenetelmän suori tusta ja näyttöä, kuva 2 esittää yksinkertaistettuna numeerista re-konstruointimenetelmää, joka perustuu aaltorintaman palauttamiseen, ja 35 kuva 3 esittää holografiaperiaatetta yhdistettynä B-kuvamenetelmään.

3 65677

Yksinkertaisin ultraäänikuvausmenetelmä on A-kuva-menetelmä, joka on yksidimensioinen. Tässä menetelmässä lähetetään kapeakeilaisella anturilla ultraäänipulsseja kohteeseen ja heijastuneet kaiut rekisteröidään kulku-5 ajan funktiona. Näyttö on kaksidimensioinen: vaakasuora akseli on verrannollinen kulkuaikaan ja sitä kautta etäisyyteen anturista ja pystysuora akseli on verrannollinen heijastuneen kaiun amplitudiin.

B-kuvamenetelinä on kaksidimensioinen menetelmä.

10 Ultraääniyksikkö vastaa A-kuvalaitteen anturi/lähetin/vas-taanotinyksikköä, mutta B-kuvauksessa anturi 1 liikkuu vaakasuoraa viivaa 2 pitkin kohteen 3 yläpuolella, kuten on esitetty kuvassa 1. Ultraäänipulsseja on esitetty periaatteellisesti viitenumerolla 4. Kuva esitetään näyttö-15 laitteella 5, jossa vaaka-akseli on verrannollinen anturin asemaan pyyhkäisyruoralla 2, pystyakseli on verrannollinen ultraäänen kulkuaikaan ja sitä kautta etäisyyteen anturista eli kohteen syvyyskoordinaattiin ja näyttöpisteiden kirkkaus on verrannollinen heijastuneiden kaikujen ampli-20 tudiin.

Tällaisen B-kuvamenetelmän antama pitkittäisreso-luutio määräytyy käytetyn anturin ja lähetin/vastaanotin-elektroniikan suorituskyvyn mukaan. Poikittaisresoluutio määräytyy kohteeseen tunkeutuvan ultraäänisäteen leveydes-25 tä. Säteen leveys puolestaan määräytyy anturin halkaisijasta, anturin fokusointiominaisuuksista ultraäänen aallonpituudesta ja kuvausetäisyydestä. Sädettä ei voida fokusoida samanaikaisesti kaikille etäisyyksille. Tästä johtuen poikittaisresoluutio on hyvä ainoastaan fokusetäisyy-30 dellä ja huonompi muilla etäisyyksillä.

Käytettäessä holografiaperiaatetta poikittaissuun-nassa voidaan resoluutio määritellä seuraavasti: rlat - λ (zh * zo)/a 35 4 65677 missä = poikittaisresoluutio ^ = ultraäänen aallonpituus a = hologrammialueen pituus Zji-zq = hologrammi tason ja kohdetason välinen 5 etäisyys.

Edellä esitetyn mukaisesti on mahdollista erottaa toisistaan kaksi pistettä, jotka ovat etäisyydellä λ toisistaan, jos kuvaussyvyys on pienempi kuin hologrammialue.

Edelleen holografiaperiaatetta käytettäessä on tär-10 keätä huomata, että ultraäänisäteen tulee olla leveä. Sen tulee pystyä valaisemaan koko kohde hologrammitason jokaisesta pisteestä, jotta saavutettaisiin paras resoluutio edellä esitetyn kaavan mukaan. Toinen tärkeä vaatimus on hologrammitason tasaisuus. Epätasaisuudet saavat olla 15 ainoastaan murto-osa ultraäänen aallonpituudesta.

Keksinnön mukaisessa kuvausmenetelmässä on siis yhdistetty em. B-kuvamenetelmä ja holografiaperiaate, joka perustuu tietokoneella laskennallisesti tapahtuvaan aalto-rintaman palauttamiseen hologrammitasolta kohteen tasoille, 20 jolloin on saatu aikaan uusi kuvausmenetelmä, jota voidaan kutsua myös UHB-kuvaukseksi (ultrasonic holographie B-scan imaging).

Yhdistäminen voidaan suorittaa useallakin eri tavalla. Seuraavassa esitetään eräs yksinkertainen yhdis-25 tämistapa.

Kohteelle suoritetaan keksinnön mukaisesti kaksi kuvausta. Ensin suoritetaan tavanomainen B-kuvaus, jolla saavutetaan hyvä pitkittäisresoluutio. Käyttämällä sopivaa pulssikompressiotekniikkaa ja sovitettuja suodattimia 30 päästään optimiresoluutioon. Seuraavaksi suoritetaan yksi-dimensioinen holografinen kuvaus kohteen jokaiselle syvyydelle, ts. jokaiselle etäisyydelle anturista. Syvyys-koordinaattia voidaan säädellä käyttämällä esimerkiksi nk. time-gating-menetelmää ja muuttamalla samalla rekonstruoin-35 tietäisyyttä ζ^-ζ0/ josta tarkemmin jäljempänä. Lopuksi 5 65677 nämä kaksi kuvaa yhdistetään esimerkiksi suoraan kertomalla niiden intensiteetit tai amplitudit keskenään, jolloin saadaan hyvä resoluutio samanaikaisesti molemmissa suunnissa.

5 Optisessa holografiassa hologrammi sisältää inter ferenssikuvion muotoon tallennettuna amplitudi- ja vaihe-kulmainformaatiot kohteesta siroavasta aallosta hologram-mitason paikan funktiona. Ultraääniholografiässä samat informaatiot voidaan mitata elektronisesti. Tällöin hologram-10 mi on joukko amplitudin ja vaihekulman mittaustuloksia holo-grammitason eri pisteistä mitattuina. Nämä tallennetaan käytettäessä kuten keksinnönmukaisessa menetelmässä, numeerista rekonstruointimenetelmää tietokoneen massamuistiin. Mittaustulosten muodostama data sisältää täydellisen infor-15 maation kohteesta siroavasta aaltorintamasta, joten se sisältää myös informaation itse kohteesta, jonka kuva voidaankin laskennallisesti reskonstruoida hologrammidatasta.

Numeerinen kuvan rekonstruointi voidaan suorittaa, kuten keksinnön mukaisessa menetelmässä tehdäänkin, käyt-20 tämällä aaltorintaman palautuksen periaatetta. Koska aal-torintama etenee väliaineessa noudattaen tunnettuja fysiikan lakeja, voidaan se palauttaa laskennallisesti hologram-mitasolta kohteen tasolle. Tämä suoritetaan tilaspektri-muodossa käyttäen nk. spektrinsiirtoteoreemaa. Tällainen 25 numeerinen rekonstruointi on esitetty yksinkertaistetusti kuvassa 2. Hologrammin (ts. aaltorintaman) tilataajuus-spektri lasketaan käyttäen Fourier-muunnosta (vaihe I).

Tämä spektri siirretään alkuperäiselle tasolleen kohteessa kertomalla se määrätyllä vaihekulmatekijällä (vaihe II) ja 30 lopuksi kyseisen kohdetason aaltorintama lasketaan siirretystä spektristä käyttämällä Fourier-käänteismuunnosta (vaihe III). Tuloksena saatavan aaltorintaman intensiteetti antaa kuvaan kyseistä syvyyttä vastaavan juovan. Visualisointi voidaan suorittaa esimerkiksi televisiomonito-35 rilla.

6 65677

Kuva 3 esittää tätä rekonstruointiprosessia sovellettuna keksinnön mukaiseen kuvausmenetelmään. Anturi 7 koostuu pienistä laajakeilaisista anturielementeistä holo-grammitasolla z^. Kohteesta 3 on valittu tarkasteltavak-5 si taso z·^. Hologrammidata mitataan lähettämällä kullakin anturin elementillä ultraäänipursti ja mittaamalla tasolta z^ heijastuneen ultraäänen amplitudi ja vaihekulma. Tasolta z^ heijastunut ultraääniaalto valitaan vastaan-ottimelle time-gating-menetelmällä: mittaus suoritetaan 10 lähetyspurstista lukien sen ajan kuluttua, mikä ultraäänellä kuluu välin z^-z^ edestakaiseen kulkemiseen.

Tasolta z^ saatava hologrammidata voidaan esittää matemaattisesti aaltorintamana 15 ^hl(x'zh} = ^1(Χ/^} exp £ ^hl (x,zh^ missä uhi(x,2h^ = hohteen tasosta z^ hologrammitasolle z^ heijastunut aaltorintama,

Uhi (x,zh) = aaltorintaman amplitudi, 2^ ^hl^x,zh^ = aaltorintaman vaihekulma, x = paikka hologrammilla, j = imaginaariyksikkö.

Tilataajuusspektri lasketaan käyttämällä yksidi-25 mensioista Fourier-muunnosta *hl(fx'V = ^£Uhl<x'V} missä Ahl^x/Zh^ = Uhl^X/Zh^:n t^-^ataa3uussPektri holo-30 grammitasolla z, , & y = Fourier-muunnoksen operaattori, f = tilataajuusmuuttuja.

A

7 65677 Tämä spektri siirretään kohteen tasolle z^ kertomalla se vaihekulmatekijällä exp/j &0(£χΐ7 = exp/3k (zh~z1) \J 1- (λίχ)2.7 5 missä k = aaltoluku = 2^11 /\ ja ^ 0(f ) = tarvittava vaihesiirto tilataajuuden f funk-

X X

tiona, kun spektri siirretään hologrammitasol- ta z, kohteen tasolle z. . h 1 10 Tällöin saadaan siirretyksi spektriksi

^l^x'2!5 = Ahl ^fx'zh^ exP/jk (ζ^^-ζ^^) \l 1- ( Αίχ)2*J

missä Α^(ίχ,ζ^) = siirretty spektri.

Siirretystä spektristä saadaan aaltorintama kohde-tasolla z^ suorittamalla sille Fourier-käänteismuunnos

U1(x,z1) = ^'~1 {^1 (fx'zl}J

20 missä U^{x,z^) = aaltorintama kohteen tasolla z^

Fourier-käänteismuunnoksen operaattori.

Muilta kohteen tasoilta heijastuneet aaltorinta-25 mat (hologrammit) rekonstruoidaan kuviksi samalla tavalla. Tuloksena saadaan eri kohteen syvyyksiä vastaavia juovia, joiden intensiteetit paikan x funktiona vastaavat kuvan eri pisteiden intensiteettejä. Pyyhkäisemällä juovat allekkain televisiomonitorille saadaan näkyviin 30 koko kuva. Holografiakuvauksen pitkittäisresoluutio on huono, minkä vuoksi saatu kuva on kerrottava tavanomaisen B-kuvan kanssa. Näin saadaan aikaan kuva, jonka resoluutio on hyvä sekä pitkittäis- että poikittaissuunnassa.

Käytännössä edellä selostettu prosessi tapahtuu 35 seuraavasti. Kultakin kohteen syvyydeltä mitataan kullakin 8 65677 anturin elementillä saatavan ultraäänen amplitudi ja vaihekulma ja tallennetaan tietokoneen muistiin. Jos esimerkiksi anturissa on 100 elementtiä ja mitataan 100 eri syvyysjuovaa, saadaan hologrammidataksi 10 000 ampli-5 tudiarvoa ja yhtä monta vaihekulma-arvoa. Tämän datan kutakin juovaa vastaavalle osalle suoritetaan Fourier-muun-nos tietokoneessa sopivaa FFT-aliohjelmaa käyttäen (fast Fourier transformation). Saadun spektrin vaihekulma-arvot kerrotaan tietokoneessa edellä esitetyllä vaihekulmateki-10 jällä ja saadulle datalle suoritetaan Fourier-käänteis- muunnos sopivalla aliohjelmalla. Tuloksena saatavasta datasta lasketaan intensiteetti kertomalla amplitudiarvot itsellään. Näin käydään läpi kaikki kuvan juovat ja tuloksena saatava kuva kerrotaan piste pisteeltä tavanomai-15 sella B-kuvauksella mitatun kuvan kanssa.

Vastaava kuvausprosessi voidaan suorittaa myös siten, että holografinen kuvaus ja B-kuvaus suoritetaan samanaikaisesti. Tällöin kohteeseen 3 (kuva 3) lähetetään anturin 7 kullakin elementillä lyhyitä ultraäänipursteja 2Q ja samalla elementillä otetaan vastaan heijastunut ultraääni ja mitataan siitä kulkuajan funktiona amplitudi ja vaihekulma-arvot riittävän tihein näytevälein. Kun kaikilla anturin elementeillä on suoritettu vastaava operaatio, on saatu talteen data, josta kuva voidaan rekonstru-25 oida tietokoneessa matemaattista prosessia käyttäen. Sopivia rekonstruointiprosesseja on kehitetty jo aiemmin SAR-tutkan (Synthetic Aperture Radar) yhteydessä. Etuna tässä menetelmässä on, että tarvitaan vain yksi kuvaus lopullisen kuvan aikaansaamiseksi.

30 Molemmissa kuvausmenetelmissä prosessointiin voi daan liittää kuvansuodatusprosesseja ja korjausprosesseja, joilla voidaan kompensoida aaltorintämän etenemisessä tapahtuvia virheitä. Näitä suodatus- ja korjausprosesseja voidaan suorittaa sekä aaltorintamille hologrammitasolla 35 tai kohteen tasolla että niiden spektreille.

Claims

9 65677

1. Holografinen B-kuvamenetelmä, tunnettu siitä, että kuvauskohteelle (3) suoritetaan ensin tavan- 5 omainen B-kuvaus hyvän pitkittäisresoluution aikaansaamiseksi, että sen jälkeen kohteen (3) jokaiselle syvyydelle eli etäisyydelle anturista (7) suoritetaan holografinen ultraäänikuvaus, jossa rekonstruointi suoritetaan aalto-rintaman palautuksen periaatetta käyttäen, hyvän poikit- 10 taisresoluution aikaansaamiseksi ja että tuloksena saatavat kaksi kuvaa yhdistetään piste pisteeltä kertomalla tai muulla tavalla hyvän resoluution aikaansaamiseksi molemmissa suunnissa.

2. Holografinen B-kuvamenetelmä, tunnettu 15 siitä, että kuvauskohteelle (3) suoritetaan samanaikaisesti tavanomainen B-kuvaus ja holografinen ultraäänikuvaus siten, että kustakin hologrammialueen pisteestä lähetetään kohteeseen ultraäänipursti ja heijastuneesta ultraäänestä mitataan kulkuajan funktiona amplitudi ja vaihekulma-arvot 20 sopivin näytevälein ja että saadusta amplitudi- ja vaihe-kulmadatasta rekonstruoidaan kuva tietokoneessa matemaattista prosessia käyttäen samaan tapaan kuin vastaavanlaisessa SAR-tutkassa, jolloin tarvitaan vain yksi kuvaus lopullisen kuvan aikaansaamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 holografinen B-kuva menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmään on lisätty kuvansuodatusprosessointia tai korjausprosessoin-tia, jolla pyritään kompensoimaan kuvaukseen ultraääni-aaltorintaman etenemisen yhteydessä aiheutuvia virheitä.