平面波经颅超声成像相位校正及散斑跟踪

准确的脑血流成像对脑功能监测和脑疾病的快速诊断具有重要意义,然而颅骨对超声传播的影响会导致成像质量下降、速度或位移估计不准确等问题.论文采用平面波相干复合结合散斑跟踪方法进行颅内散射目标成像和速度估计,以实现脑血流速度矢量检测;针对颅骨存在导致的超声相位畸变,利用数值仿真和体模实验研究了其对成像及散斑跟踪效果的影响,并...     

剪切波对时间反转调相的经颅聚焦超声的影响*

为研究颅骨中的剪切波对经颅聚焦超声的影响,该文利用Kelvin-Voigt固体声波方程并结合时间反转法,分别模拟了考虑剪切波和不考虑剪切波时,256-单元平面相控阵为实现超声经颅聚焦所需的相位调控,并将这两种相位调控都分别作用于考虑剪切波和不考虑剪切波时的聚焦情形。对这两种相位调控以及基于它们的经颅聚焦超声场的对比分析结果表明:聚焦深度较大时,剪切波对基于时间反转进行的相位调控影响较小;不过,剪切波对经颅聚焦超声场的强度分布影响较大,忽略剪切波会导致对焦域处声场聚焦强度的高估以及对颅骨附近声能量沉积的低估。     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

基于参考透镜法的数字全息显微相位畸变校正技术

建立了数值与物理方法结合的参考透镜法,对离轴数字全息显微系统进行畸变相位校正.对离轴全息图进行频谱分析,通过频谱滤波、移位的数值方法对一次相位畸变进行校正.在参考光路中引入参考透镜,根据频谱中心能量判别参考透镜的轴向最佳位置,利用物理方法对多次相位畸变进行校正.在相位校正理论分析的基础上,结合实验用参考透镜法验证其有效性和准确性.微台阶表面形貌测量结果表明,参考透镜法能够准确校正相位畸变,通过校正的相位可以获取44nm标准微台阶形貌数据,测量标准差能够达到0.8nm,且测量结果与轮廓仪测量结果一致.表明参考透镜法能够有效、准确地校正离轴数字全息显微系统的畸变相位.     

有平界面存在时时间反转法的自聚焦性能

时间反转法是一种具有独特优点的自适应聚焦方法,对超声成像中图象畸变的消除有重要价值。本文就声场中存在介质分平面时,对时间反转法实现自聚焦的声场给出了解析式;并运用所建立起来的时间反转成像实验系统进行了有平界面存在时的自聚焦实验,实验所得自聚焦增益与理论计算结果相符。     

数字全息中的自动相位畸变补偿算法

提出一种面向数字全息的相位畸变自动补偿方法,利用图像分割技术对被检测物体进行自动分割,生成相位掩模板,进而得到不含被测物体区域的畸变相位。基于相位畸变校正模型对畸变相位进行最小二乘拟合,最终实现相位畸变的自动补偿。实验中搭建了数字全息检测平台,并对晶圆表面进行测量,结果表明所提出的方法能够实现畸变相位的自动校正。     

利用回波相干性的医学超声成像相位畸变校正方法

为了提高相位畸变条件下的医学超声成像的横向分辨率和对比度,提出了一种利用回波信号相干性的校正方法。首先给出平均相干系数的概念,并将其作为相位误差校正的度量,然后通过最大化平均相干系数逐步校正各个通道的延时误差,最后再利用经过校正的数据计算出一组新的相干系数并对回波信号进行加权优化,从而得到最终用于成像的数据。对点散射目标及斑散射目标的仿真结果分别显示,利用所提出的方法横向分辨率提高了约0.24 mm,对比度提高了约18 dB,且要优于邻近阵元互相关方法和相干系数直接加权的处理方法。利用回波相干性的相位畸变校正方法结合了相位误差校正和加权处理的优点,可以有效地改善医学超声成像的质量。      

基于畸变相位波前分形特征产生矩形湍流相屏

在包含时间进程的光波大气传输及其自适应光学相位校正的数值模拟研究中,如长曝光成像和自适应光学系统的动态控制过程,矩形湍流相屏的产生和应用尤为重要.而现在通常使用的功率谱反演法产生的是正方形的湍流相屏,只采用其中的矩形部分显然造成计算机资源的浪费;并且谱反演法产生的湍流相屏需要进行低频补偿,从而明显地增加计算量.基于大气湍流所造成的畸变相位波前的分形特征,提出了一种产生矩形湍流相屏的新方法,并与解析理论结果进行对比,验证了这种矩形相屏产生方法的正确性.与已有的方法相比,此算法具有两个明显的优点:算法简单、计算效率高,节省计算机资源;与大气湍流介质统计特性无论在高频部分还是在低频部分均符合得较好.     

光子计数位置灵敏探测器畸变多项式校正

采用多项式校正方法对光子计数位置灵敏探测器成像畸变进行校正。介绍光子计数位置灵敏探测器工作原理并分析其畸变产生原因;介绍多项式校正原理,并给出光子计数位置灵敏探测器畸变多项式校正流程;采用该方法对两种不同畸变程度的基于楔条形阳极该类探测器进行了畸变校正,校正后残余误差分别为2.5pixel和1.2pixel。实验结果表明,多项式校正法能够有效校正光子计数位置灵敏探测器成像畸变。     

基于相位标靶的投影仪畸变测量与校正

针对传统的投影仪畸变标定方法系统结构和理论推导复杂等问题,提出一种基于相位标靶的投影仪畸变测量和校正方法。该方法以附有全息投影膜的液晶显示屏作为相位标靶,液晶显示屏依次显示水平和垂直方向的正弦条纹图像,投影仪向相位标靶依次投射水平和垂直方向的正弦条纹图像,并分别计算显示条纹和反射条纹的绝对相位。利用两组相位在相机像素上的对应关系,将投影仪投射相位转换到液晶显示屏相位坐标系中,从而测得投影仪的畸变。根据采集的相位空间关系进行畸变校正,使投影仪投射的等相位线在相位标靶上呈直线分布。实验结果证明,该方法可测量并校正投影仪的畸变,不受相机成像质量的影响,可为条纹投影三维形貌测量技术提升投影质量。     

时间反演聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究*

无创脑神经调控技术是生物医学领域的研究热点,经颅磁声电刺激是利用静磁场和声场的耦合而产生的感应电场作用于神经组织,对大脑的目标位置进行刺激和调控的一项技术。颅骨的存在使超声在传播过程中发生相位畸变和幅值衰减,聚焦区域偏离,难以实现精准聚焦。该文基于时间反演法,模拟颅内点声源发射脉冲以及超声传播过程,计算各个阵元接收到的时间差,按照后到先发的原则发射脉冲进行聚焦刺激。与传统相控阵聚焦相比,焦点偏移现象基本得到解决,焦域横向、纵向分辨率均有所提高,提高了声束聚焦精度和感应电场峰值。通过搭建实验平台,将两种聚焦方法所测得的声场归一化处理,验证了时间反演法能补偿焦点偏移,并通过实验证实了超声换能器声场和产生感应电场分布存在较高的一致性。基于真实颅脑结构的虚拟点源时间反演聚焦可以实现无创、精准、灵活的经颅磁声电刺激,有助于推动精准神经调控技术的发展。     

基于虚拟源时间反转的经颅超声精确聚焦*

针对经颅超声难以精确聚焦的问题,本文研究了基于虚拟源的时间反转方法,建立颅骨二维数字模型,在聚焦目标处设置虚拟声源,利用时域有限差分法模拟超声时间反转过程,并考察基于虚拟源时间反转方法的聚焦效果。数值仿真结果表明,基于虚拟源的时间反转方法可以实现经颅超声的精确聚焦,聚焦强度和精度好于传统的相控聚焦;换能器中心频率和数量对聚焦效果的影响规律与相控聚焦时类似;该方法可以同时向多个焦点聚焦,并自适应调节各焦点处声压幅度。     

Experimental demonstration of noninvasive transskull adaptive focusing based on prior computed tomography scans

Developing minimally invasive brain surgery by high-intensity focused ultrasound beams is of great interest in cancer therapy. However, the skull induces strong aberrations both in phase and amplitude, resulting in a severe degradation of the beam shape. Thus, an efficient brain tumor therapy would require an adaptive focusing, taking into account the effects of the skull. In this paper, we will show that the acoustic properties of the skull can be deduced from high resolution CT scans and used to achieve a noninvasive adaptive focusing. Simulations have been performed with a full 3-D finite differences code, taking into account all the heterogeneities inside the skull. The set of signals to be emitted in order to focus through the skull can thus be computed. The complete adaptive focusing procedure based on prior CT scans has been experimentally validated. This could have promising applications in brain tumor hyperthermia but also in transcranial ultrasonic imaging.     

散射介质超衍射极限技术研究进展

综述了已有散射介质超衍射极限聚焦和成像技术的研究现状及进展。首先介绍了这一领域的研究背景及意义,以及已有超衍射极限成像技术的发展现状;然后给出了应用于超衍射极限成像的散射介质定义;其次分析了时间反演技术在声学、微波领域聚焦上的应用,介绍了时间反演法在光学领域超衍射极限聚焦应用中的实现方法,总结了散射介质加入到光学系统中的作用,分析了利用反馈控制调节和光学相位共轭方法进行散射介质超衍射极限聚焦方法的特点;讨论了基于空域和空频域传输矩阵测量的散射介质宽场成像方法及在该目的下的散射介质制备方法;最后给出了散射介质光学超衍射极限成像技术研究前景及展望。     

纵向带状裂隙形貌的逆时偏移超声成像

传统的工业超声成像方法通常只能确定缺陷的位置与横向尺寸,无法获得缺陷的形貌信息.一些特殊的缺陷,如纵向裂纹,是典型的例子.基于多阵元技术,开展了固体介质缺陷逆时偏移超声成像方法的数值与实验研究.针对铝块平底纵裂纹及内部纵裂纹两种传统方法无法有效成像的缺陷,首先开展了单分量逆时偏移成像方法研究,给出了基于数值仿真的逆时偏移成像结果以及基于多阵元超声成像实验系统实验测试的逆时偏移成像结果.进一步开展了基于多分量位移检测与转换横波分离的逆时偏移成像方法研究,并提出了基于新型多分量激光干涉仪进行检测的思路.数值仿真结果证实了多分量逆时偏移图像重建结果可以克服单分量方式的缺点,得到明显优于单分量检测时的图像.     

傅里叶变换轮廓术中相位失真的预矫正方法

介绍了一种基于傅里叶变换轮廓术的三维面形测量系统中相位失真的预矫正方法。由于投影系统和成像系统的空间三角位置关系、投影仪的发散照明和两套系统蕴含的光学畸变,投影一幅相位与空间坐标成理想线性关系的标准正弦光场,拍摄到的条纹相位和空间坐标不再呈线性分布,引起相位失真,甚至会影响系统测量精度。该方法借鉴反向条纹投影的思想,计算拍摄光场的非线性相位分布与理想的线性相位分布之间的关系,预先矫正,反算出一个新的待投影光场。实验结果表明这种方法能有效地减小该类相位失真所导致的测量误差,获得了更好的测量结果．