Способ томографической реконструкции акустических неоднородностей

(54) СПОСОБ ТОМКОНСТРУКЦИИ АКУРОДНОСТЕЙ(57) Изобретение отразвуковой вычислЦелью изобретения осится к тельной являетс хнике ультомографииповышение иологически ии, гидро- иЦель изоб ти зффектив обьектов еофизике ретения - ости рек в медицине,биоло дефектоскспии,повышение точно нструкции за счетГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К.АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС. Гринлиф Дж.Ф, Ультразвуковая реконструктивная томография, - ПТИИЭР, 1983,т,71, М 3, с.54 - 63.Оанапеу А,. А б 1 геб Ьас 1 ргоцатопацагТпе аког б 11 гассоп тогпоцгарйу.- Отгазопс Глацпц, 1983, М 4, р, 336-349.КанеЬ М. е 1 а. .тгазопс тогпоцгарЬуЬазеб оп регтигЬабоп зоц 1 опз о 1 йе ччанеецоатоп. Согпрмеб бгарЬсз апб гпаце. Ргосеззпд, 1979, М 9, р.105-116,Вайнберг Э,ИФайнгойз М,Л, Оптимальная дискретизация и интерполяцияпроекций в рентгеновской вычислительнойтомографии, - . Дефектоскопия, 1984, М 8,с,49 - 59,Изобретение относится к технике ультрауковой вычислительной томографии и может Ть использовано для организации томографиского исследования различных физических.и точности и эффективности реконструкции за счет упрощения процесса сбора данных и оптимизации процедуры обработки и возможности реконструкции высококонтрастных неоднородностей. Облучают плоской ультразвуковой (у.з,) волной объект с воэможностью его поворота вокруг точки, являющейся центром поворота приемной акустической системы, состоящей из протяженных линейных преобразователей, осуществляя таким образом физическое разложение рассеянного у.з, поля на плоские акустические волны, измеряют их амплитуду и фазу и обрабатывают полученные данные в фурье-пространстве с помощью ЭВМ, Разложение у.э. поля с помощью протяженных линейных преобразователей позволяет получить данные акустического рассеяния. непосредственно в виде значений пространственного спектра неоднородностей на полярной сетке в фурье-пространстве, что обеспечивает воэможность использовать для дальнейшей обработки данных хорошо разработанные стандартные алгоритмы, лучевой вычислительной томографии и реализовать упрощение сбора данных и оптимизацию обработки. В то же время процедура обработки, организованная на основе укаэанного разложения, учитывает порцесс многократного перерассения зондирующей волны, что дает возможность реконструировать высококонтрастные неоднородности. 5 ил.упрощения процесса сбора данных и оптимизации процедуры обработки и воэможности реконструкции высококонтрастныхнеоднородностей, когда необходим учетпроцесса многократного перерассеяния 5ультразвуковой волны на неоднородности,На фиг, 1 приведена схема организациитомографического исследования; на фиг, 2 -векторная диаграмма в спектральномфурье-йространстве; на фиг. 3 - выборка 10дискретных компонентов пространственного спектра неоднородности,при фиксированном значении Ои пробегании Явсехсвоих значений; на фиг. 4 - полная с 1 трукту,ра данных о пространственном спектре исследуемой неоднородности, получаемаяпри пробегании углами Ол и Й всех своихзначений (полностью совпадает с типичными структурами данных, получаемых дляслучая лучевой вычислительной томографии); на фиг 5- координатные сетки в пря-моугольной декартовой и полярнойсистемах координат (крестиками обозначены узлы полярной сетки, в которых измерены значения пространственного спектра 25неоднородности; черными кружками - узлыдекартовой сетки).На фиг, 1-5 обозначены Оп - дискретныйугол перемещения протяженного линейного преобразователя, исполняющего роль З 0приемника ультразвука, по окружности Свокруг исследуемого объекта В; О - дискретный угол поворота исследуемого объектавокруг некоторой внутренней точки, являющейся началом полярной системы коорди- Э 5нат; Ко - волновой вектор падающейакустической волны; К - волновой векторплоской акустической волны, рассеяннойпод углом 6, причемКл= о; Лаеввектор, для которого на томографической 40установке при фиксированных углах О иЙЬ измеряется значение пространственного спектра исследуемой неоднородности(Лие = Кл Ко)Способ томографической реконструкции акустических неоднородностей заключается в следующем,Исследуемый объект, описываемыйфункцией Яг) и локализованный в области В(фиг. 1), помещают в имерсионную жидкостьи облучают плоской ультразвуковой волной.На приемной апертуре С. представляющейсобой окружность с центром в начале полярной системы координат, помещенным вобласти В, регистрируют плоские ультразвуковые волны частоты ао= КоСо, где в, - частота исходной плоской волны; К - волновоечисло; Со - скорость звука в имерсионнойжидкости, При этом приемные.преобраэователи располагаются в дальней волновой зоне относительно рассеивающего объекта. Разложение рассеянного акустического поля на плоские ультразвуковые волны и регистрация последних достигается тем, что в качестве приемников ультразвука используют протяженный линейный преобразователь, длина которого значительно превышает длину волны А зондирующего излучения, Такой преобразователь в силу усреднения значений акустического поля по всей своей поверхности выделяет из него плоскую волну, распространяющуюся в направлении нормали к поверхности преобразователя, и формирует электрический сигнал, связанный с амплитудой и фазой этой плоской волны.Приемные акустические преобразователи могут располагаться на окружности С в2 л точках с угловыми координатами Ол = и,й где О, - величина угла, образованного волновыми векторами Ко падающей волны) и К (плоской волны, рассеянной под углом О), или можно использовать один приемный преобразователь, который может перемещаться по С на дискретные углы К причем М - общее количество дискретных положений приемных преобразователей (или преобразователя).В ряде случаев удобно иметь несколько приемных преобразователей на С и.одновременно использовать возможность их дискретного перемещения, Целесообразность такого сочетания определяется соотношением между размерами преобразователя и радиусом окружности С, Использование подобной схемы позволяет увеличить скорость съема экспериментальных данных.Таким образом достигается разложение рассеянного поля по плоским акустическим волнам, рассеянным под различными углами О,.Для каждого фиксированного О, осуществляется полный поворот объекта вокруг начала полярной системы координат посредством дискретных шагов Я,. При этом2 лЯ= в, где М - общее количество дискМретных положений объекта при повороте,8 случае рассеивателяф Я борновского типа пространственный спектр рассеивателя (Л).с точностью до постоянного множителя равен отношению комплексной амплитуды плоской волны, рассеянной в на-правлении К, к комплексной амплитуде плоской волны, падающей на объект в направлении Ко(Л = К- Ко).Данной методике съема томографических данных (а измеряется амплитуда и фаза плоских рассеянных волн) в этом случае соответствует выборке компонент пространственного спектра объекта (Л), где Г = (К - Ко, Коу -.Коу) в диапазонеЛ52 КО в пространстве волновых векторов (К, Ку).Для фиксированного угла Внаправление падающего поля совпадает с положительным направлением оси ОХ. Векторная диаграмма волновых векторов для данного случая представлена на фиг. 2, Разностный вектор Л,п образует с осью ОК в пространстве волновых векторов угол.Я, соответствующий гп-му углу поворота объекта,Совершение полного оборота объекта вокруг начала полярной системы координат в реальном пространстве при рассмотрении борновского приближения теории дифракционного рассеивания сопровождается образованием выборки дискретных компонент пространственного спектра в пространстве волновых векторов на окружности радиуса,Лп (фиг, Э),Повторяя процедуру съема данных для каждого фиксированного угла Оп, получают структуру данных о пространственном спектре исследуемого обьекта в пространстве волновых векторов, представленную на фиг;4. При этом дискретизация по углу Й соответствует дискретизации по радиусу в пространстве волновых векторов. а дискретизация по углу поворота объекта Яп соответствует дискретизации спектральных данных по углу в фурье-пространстве,Таким образом, получают в пространстве волновых векторов выборки данных о пространственном спектре обьекта по концентрическим окружностям различных радиусов с общим центром в начале координат. Полученная структура данных о. пространственном спектре исследуемой неоднородности полностью совпадает с типичной структурой спектральных данных в лучевой вычислительной томографии, где применяются стандартные алгоритмы восстановления изображения неоднородности на основе структуры спектральных данных, соответствующей размещению данных на прямых, проходящих через начало координат.Эти вычислительные алгоритмы основаны на процедуре интерполяции данных с круговых сеток в узлы зквидистантной прямоугольной сетки в пространства волновых векторов, которая требуется для выполнения обратного фурье-преобразования методом БПФ (быстрого преобразования Фурье). На фиг. 5 показано расположение точек(и Л, аЛЙ) в плоскости волновых векторов,в которых определяются значения фурьеобраза функции , Эти точки, образующие5 полярную систему, обозначены крестиками( Ж. - дискретизация этой полярной системы по радиусам, ЛИ - по углам), Кружкамина фиг. 5 обозначены отсчеты(гп ЬК, и ЬКу),1в которых необходимо знать значения спек 10 тра обьекта для его восстановления (ЬК иЛКУ) - дискретизация в прямоугольной системе координат),Полученная структура ультразвуковыхтомографических данных о пространствен"5 ном спектре исследуемого объекта, учитывающих процесс дифракции на обьектеакустических волн, допускает полную адап;тацию существующих хорошо разработанных алгоритмов обработки томографи 20 ческих данных, используемых в рентгеновской вычислительной томографии (где неучитываются явления дифракции зондирующего излучения),Восстановление изображения исследуемого обьекта производится путем однократного двухкоординатного обратногофурье-преобразования функции (Л) на декартовой прямоугольной сетке в пространстве волновых векторов в функцию(г) вреальном пространстве.Таким образом, предложенный способдифракционного томографического исследования акустических объектов отличаетсяот известных технических решений методомЗ 5 получения данных акустического рассеяния .непосредственно в виде значений пространственного спектра исследуемой неоднородости на полярной сетке вфурье-пространстве, что достигается изме.4 О рением в ходе исследования амплитуды ифазы рассеянных плоских волн, на которыепроизводится физическое разложение рассеянного звукового поля с помощью протяженных линейных приемных преобразователей. Получаемая таким образом на полярной сетке в фурье-пространстве структура спектральных данных позволяет длядальнейшего восстановления изображениянеодно родн ости испол ьзо вать ста ндартные, хорошо разработанные алгоритмы лучевой вычислительной томографии,Разложение рассеянного акустичечкого поля по плоским волнам позволяет также эффективно учитывать процесс многократногоперерассеяния зондирующей волны на неоднородности. что необходимо для получения возможности восстановлениявысококонтрастных (неборновских) неоднородностей.Данный способ удобен для реализации в практических устройствам. позволяет использовать хорошо разработанные стандартные алгоритмы и программное ,обеспечение рентгеновской вычислительной томографии и, следовательно. может найти широкое применение.Формула изобретения Способ томографической реконструкции акустических неоднородностей, заключающийся в облучении исследуемого объекта плоской ультразвукОвой волной с фиксированного направления с воэможностью поворота объекта вокруг некоторой внутренней точки, являющейся одновременно центром поворота приемной акустической системы, измерении амплитуды и фазы рассеянного ультразвукового поля, учете дифракционных эффектов и обработке получаемых данных в фурье-пространстве с помощью ЭВМ, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и эффективности реконструкции эа счет упро щения процесса сбора данных и оптимизации процедуры обработки и возможности реконструкции высококонтрастных неоднородностей, разлагают рассеянное ультразвуковое поле на плоские акустические 10 волны с помощью приемной акустическойсистемы, состоящей, как минимум, из одного протяженного линейного преобразователя; измеряют. амплитуду и фазу этих волн, организуют на основе результатов изме рений, структуру исходных данных для обработки на радиально-круговой сетке в фурье-пространстве, а обработку ведут с помощью стандартных алгоритмов лучевой вычислительной томографии,201746219 Составитель А,ГлазковТехред М,Моргентал Корректор Э,Лончакова актор И.Шма ственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 1 Про аказ 2388 ВНИИПИ Госуда Тираженного комитет13035, Москва,Подписноепо изобретениям и открытиям при ГКНТ СССЖ, Раушская наб 4/5