CN115670504B - 一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声断层成像领域，具体涉及一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，包括：分别获得渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵；对渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵按照规则处理，得到新的质量矩阵。本发明可以高效地对大数据量的原始信号质量进行判断，同时该算法支持并行计算，可以很好地进行加速，做到近实时判断。

Description

一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法

技术领域

本发明属于超声断层成像领域，具体涉及一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法。

背景技术

超声断层成像系统一次同时重建反射和透射图像，原始信号的质量对于图像质量非常重要。因为超声断层成像系统并行采集通道数多，采集链路硬件和控制机制复杂，一次采集数据量庞大(82GB)，现没有一种定量的高效快速原始信号质量判断方法。

基于此，申请人提出一种基于渡越时间和能量分布的三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法的技术方案。

一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，包括：

步骤1，分别获得渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵；

步骤2，对渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵按照规则处理，得到新的质量矩阵。

进一步地，所述步骤1中获得渡越时间法质量矩阵的操作包括：

S1，取一段原始AScan信号，求得该原始AScan信号的信号包络，并计算该原始AScan信号的理论到达时间；

S2，基于理论到达时间截取一段包络信号，计算该截取段包络信息的离散系数；

S3，判断离散系数是否大于0；

若大于0，则对截取的包络信号进行处理，得到实际渡越时间；

若小于等于0，则判断实际渡越时间为0；

S4，将实际渡越时间与理论渡越时间进行对比，标定该AScan信号质量好坏；

S5，遍历所有AScan信号，得到渡越时间法质量矩阵。

进一步地，所述S1中信号包络的求法包括：使用一个模板信号进行匹配滤波，模板信号为理论的发射信号或者实际采集到的信号，然后去掉直流分量，做希尔伯特变换得到包络。

进一步地，所述S1中理论到达时间的计算包括：发射阵元的空间坐标为(x_tx,y_tx,z_tx)，接收阵元的空间坐标为(x_rx，y_rx，z_rx)，理论到达时间其中c为声速。

进一步地，所述S2中截取一段包络信号的操作包括：基于t_direct和窗长度winLen，取(t_direct-winLen/2,t_direct+winLen)段包络信号。

进一步地，所述S2中离散系数的计算公式为：离散系数＝信号方差/信号均值。

进一步地，所述S3中对截取的包络信号进行处理包括：以2*包络信号离散系数为阈值，保留大于该值部分，其余置为0；对剩余的值排序，得到最大的两个值val1和val2；

若val2>0，且val2比val1更早到达，则val2的到达时间即为信号实际到达时间，记为t_real；

如果val1>0，则将val1的到达时间记为t_real。

进一步地，所述S4中将实际渡越时间与理论渡越时间进行对比包括：如果|t_real-t_direct|>winLen/2，则标定该AScan信号质量为坏；否则标定AScan信号质量为好。

进一步地，所述步骤1中获得能量分布法质量矩阵的操作包括：

H1，取一个阵元发射所有阵元接收的AScan信号，并计算所有AScan信号的理论能量分布；

H2，求每一个AScan信号的绝对值的最大值，做归一化得到一个实际能量分布向量；

H3，计算理论能量分布与实际能量分布的相对误差，相对误差绝对值小于等于20％的发射阵元记为好，反之记为坏；

H4，遍历所有发射阵元，得到能量分布法质量矩阵。

进一步地，所述H1中AScan信号的理论能量分布计算方法包括：

a，分别计算发射阵元和接收阵元的连线与发射阵元法向、发射阵元X方向、接收阵元法向以及接收阵元X方向的夹角，其中，X方向的夹角是指连线在XY平面的投影线与X方向的夹角；

b，发射阵元通过其两个夹角和三维指向性，获得其指向性系数，接收阵元通过其两个夹角和三维指向性，获得其指向性系数，发射阵元的指向性系数与接收阵元的指向性系数相乘；

c，不变发射阵元，遍历所有接收阵元，计算相乘后的指向性系数，得到一位系数向量；

d，对该系数向量进行归一化处理。

进一步地，所述步骤2具体包括：

若渡越时间法质量矩阵中的AScan信号与能力分布法质量矩阵中的发射阵列同时为坏，则记信号为坏；

否则记信号为好；

得到新的质量矩阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以高效地对大数据量的原始信号质量进行判断，同时该算法支持并行计算，可以很好地进行加速，做到近实时判断。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明中获得渡越时间法质量矩阵的操作流程图；

图3为本发明中获得能量分布法质量矩阵的操作流程图；

图4为本发明中AScan信号的理论能量分布计算方法流程图；

图5为本发明中模拟计算圆形超声换能器三维指向性的XZ平面的能量分布曲线图；

图6为本发明中发射接收阵元连接线与法线及坐标系X方向夹角θ,β定义示意图；

图7为本发明中半球形孔径中发射阵元接收阵元连线与各自法向夹角θ角三维定义示意图；

图8为本发明最终获得的质量判断矩阵示意图，行表示发射阵元序号，列表示接收阵元序号，矩阵值为1或0，1表示质量判断结果为差，白色表示；0表示质量判断结果为好，黑色表示。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1-8，一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，包括：

步骤1，分别获得渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵，具体包括：

获得渡越时间法质量矩阵的操作包括：

S1，取一段原始AScan信号，求得该原始AScan信号的信号包络，并计算该原始AScan信号的理论到达时间。

其中，信号包络的求法包括：使用一个模板信号进行匹配滤波，模板信号为理论的发射信号或者实际采集到的信号，然后去掉直流分量，做希尔伯特变换得到包络。

其中，理论到达时间的计算包括：发射阵元的空间坐标为(x_tx,y_tx,z_tx)，接收阵元的空间坐标为(x_rx，y_rx，z_rx)，理论到达时间其中c为声速，不使用温度信息时，默认使用1500m/s，如果使用温度信息，则使用声速和温度的函数，通过计算得到，该函数为公知技术，不再赘述。

S2，基于理论到达时间截取一段包络信号，计算该截取段包络信息的离散系数。

其中，截取一段包络信号的操作包括：基于t_direct和窗长度winLen，取(t_direct-winLen/2,t_direct+winLen)段包络信号。

其中，离散系数的计算公式为：离散系数＝信号方差/信号均值。

S3，判断离散系数是否大于0；

若大于0，则对截取的包络信号进行处理，得到实际渡越时间；

若小于等于0，则判断实际渡越时间为0。

其中，对截取的包络信号进行处理包括：以2*包络信号离散系数为阈值，保留大于该值部分，其余置为0；对剩余的值排序，得到最大的两个值val1和val2；

若val2>0，且val2比val1更早到达，则val2的到达时间即为信号实际到达时间，记为t_real；

如果val1>0，则将val1的到达时间记为t_real。

S4，将实际渡越时间与理论渡越时间进行对比，标定该AScan信号质量好坏。

其中，将实际渡越时间与理论渡越时间进行对比包括：如果|t_real-t_direct|>winLen/2，则标定该AScan信号质量为1,1表示坏；否则标定AScan信号质量为0,0表示好。

S5，遍历所有AScan信号，得到一个2304*2304的值为1或0的渡越时间法质量矩阵。

获得渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵的操作包括：

H1，取一个阵元发射所有阵元接收的AScan信号，并计算所有AScan信号的理论能量分布。

其中，AScan信号的理论能量分布计算方法包括：

a，分别计算发射阵元和接收阵元的连线与发射阵元法向的夹角，该连线与发射阵元X方向的夹角，该连线与接收阵元法向的夹角，该连线与接收阵元X方向的夹角，其中，X方向的夹角是指连线在XY平面的投影线与X方向的夹角；

b，发射阵元通过其两个夹角和三维指向性，获得其指向性系数，接收阵元通过其两个夹角和三维指向性，获得其指向性系数，发射阵元的指向性系数与接收阵元的指向性系数相乘；

c，不变发射阵元，遍历所有接收阵元(自发自收不算)，计算相乘后的指向性系数，得到1*2303的一位系数向量；

d，对该系数向量进行归一化处理。

结合图5－图7对AScan信号的理论能量分布计算方法作进一步说明：圆形超声换能器三维指向性可以通过模拟得到：选取的为以圆心为球心，半径1cm处半球的声压分布。图5展示的是沿XZ平面一个切面的能量分布曲线，1cm的选取为保证在换能器的远场，其他换能器依具体情况选择。

图6展示一个阵元的法线方向及其直角坐标系。θ，β夹角为一条以圆心为端点的直线与法向和X方向的夹角。这两个角度可以和三维指向性结合，用来计算出一个系数。

图7展示一个示例。一个发射阵元，一个接收阵元。两者的中心连线和对应的法向方向的夹角。对应和X方向的夹角没有画出，可以参考图6。

H2，求每一个AScan信号的绝对值的最大值(排除自发自收)，做归一化得到一个1*2303的实际能量分布向量。

H3，计算理论能量分布于实际能量分布的相对误差，相对误差绝对值小于等于20％的发射阵元记为0，0表示好，反之记为1,1表示坏。

H4，遍历所有发射阵元，得到2304*2304的值为1或0的能量分布法质量矩阵(自发自收记为0)。

步骤2，对渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵按照规则处理，得到新的质量矩阵，图8示出本发明的最终结果，一个2304*2304的矩阵。白色为1，表示有问题的信号；黑色为0，没有问题的信号。

具体地，若渡越时间法质量矩阵中的AScan信号与能力分布法质量矩阵中的发射阵列同时为1，则记信号为1，即有问题的信号；否则记信号为0，即没问题的信号，得到新的2304*2304的质量矩阵，通过该质量矩阵判断信号质量，也就是说只要出现0就是没问题的信号。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，其特征在于，包括：

步骤1，分别获得渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵；

获得渡越时间法质量矩阵的操作包括：

S1，取一段原始AScan信号，求得该原始AScan信号的信号包络，并计算该原始AScan信号的理论到达时间；

S2，基于理论到达时间截取一段包络信号，计算该截取段包络信息的离散系数；

S3，判断离散系数是否大于0；

若大于0，则对截取的包络信号进行处理，得到实际渡越时间；若小于等于0，则判断实际渡越时间为0；

对截取的包络信号进行处理包括：以2*包络信号离散系数为阈值，保留大于该值部分，其余置为0；对剩余的值排序，得到最大的两个值val1和val2；

若val2>0，且val2比val1更早到达，则val2的到达时间即为信号实际到达时间，记为t_real；

如果val1>0，则将val1的到达时间记为t_real；

S4，将实际渡越时间与理论渡越时间进行对比，标定该AScan信号质量好坏；

S5，遍历所有AScan信号，得到渡越时间法质量矩阵；

获得能量分布法质量矩阵的操作包括：

H1，取一个阵元发射所有阵元接收的AScan信号，并计算所有AScan信号的理论能量分布；

H2，求每一个AScan信号的绝对值的最大值，做归一化得到一个实际能量分布向量；

H3，计算理论能量分布与实际能量分布的相对误差，相对误差绝对值小于等于20％的发射阵元记为好，反之记为坏；

H4，遍历所有发射阵元，得到能量分布法质量矩阵；

步骤2，对渡越时间法质量矩阵和能量分布法质量矩阵按照规则处理，得到新的质量矩阵，具体包括：

若渡越时间法质量矩阵中的AScan信号与能力分布法质量矩阵中的发射阵列同时为坏，则记信号为坏；

否则记信号为好，得到新的质量矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，其特征在于，所述S1中信号包络的求法包括：使用一个模板信号进行匹配滤波，模板信号为理论的发射信号或者实际采集到的信号，然后去掉直流分量，做希尔伯特变换得到包络。

3.根据权利要求1所述的一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，其特征在于，所述S1中理论到达时间的计算包括：发射阵元的空间坐标为(x_tx,y_tx,z_tx)，接收阵元的空间坐标为(x_rx，y_rx，z_rx)，理论到达时间其中c为声速。

4.根据权利要求3所述的一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，其特征在于，所述S2中截取一段包络信号的操作包括：基于t_direct和窗长度winLen，取(t_direct-winLen/2,t_direct+winLen)段包络信号。

5.根据权利要求3所述的一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，其特征在于，所述S2中离散系数的计算公式为：离散系数＝信号方差/信号均值。

6.根据权利要求4所述的一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，其特征在于，所述S4中将实际渡越时间与理论渡越时间进行对比包括：如果|t_real-t_direct|>winLen/2，则标定该AScan信号质量为坏；否则标定AScan信号质量为好。

7.根据权利要求1所述的一种三维超声断层成像系统原始信号质量判断方法，其特征在于，所述H1中AScan信号的理论能量分布计算方法包括：

a，分别计算发射阵元和接收阵元的连线与发射阵元法向、发射阵元X方向、接收阵元法向以及接收阵元X方向的夹角，其中，X方向的夹角是指连线在XY平面的投影线与X方向的夹角；

b，发射阵元通过其两个夹角和三维指向性，获得其指向性系数，接收阵元通过其两个夹角和三维指向性，获得其指向性系数，发射阵元的指向性系数与接收阵元的指向性系数相乘；

c，不变发射阵元，遍历所有接收阵元，计算相乘后的指向性系数，得到一位系数向量；

d，对该系数向量进行归一化处理。