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一種超聲探測成像方法與裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410144020.6

申請日:

2014.04.10

公開號:

CN103954966A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):G01S 15/89申請公布日:20140730|||實質審查的生效IPC(主分類):G01S 15/89申請日:20140410|||公開
IPC分類號: G01S15/89; G01S7/481 主分類號: G01S15/89
申請人: 華南理工大學
發明人: 韋崗; 寧更新
地址: 510640 廣東省廣州市天河區五山路381號
優先權:
專利代理機構: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245 代理人: 蔡茂略
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410144020.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.04.12|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種超聲探測成像方法,包括以下步驟:步驟1、步進電機驅動可折疊多級旋轉超聲探頭,所述可折疊多級旋轉超聲探頭的超聲探頭發射超聲信號,并采集超聲回波探測信號并傳給探測主機;步驟2、信號處理模塊對超聲探頭位置信息進行定位計算,將位置信息傳給探測主機;步驟3、探測主機對拾取的超聲回波探測信號進行成像,并根據位置信息進行圖像拼接,獲得探測目標的圖像;步驟4、圖像顯示器顯示圖像;本發明還公開了一種實現超聲探測成像方法的裝置,包括:吸盤、圖像顯示器、探測主機、電源模塊、信號處理模塊和可折疊多級旋轉超聲探頭。具有裝置簡單,易于操作,方便控制和精度高等優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種超聲探測成像方法,其特征在于,包括以下步驟:
步驟1、步進電機驅動可折疊多級旋轉超聲探頭,所述可折疊多級旋轉超聲探頭的超聲探頭發射超聲信號,采集超聲回波探測信號并傳給探測主機;
步驟2、信號處理模塊對超聲探頭位置信息進行定位計算,將位置信息傳給探測主機;
步驟3、探測主機對拾取的超聲回波探測信號進行成像,并根據位置信息進行圖像拼接,獲得探測目標的圖像;
步驟4、探測主機將得到的圖像通過圖像顯示器顯示出來;
在步驟2中,進行所述定位計算的方法包括以下步驟:
步驟21、步驟1中所述的可折疊多級旋轉超聲探頭具有n個步進電機和n-1個支桿,n為大于或等于2的正整數;第n-1支桿(Ln-1)的左端通過第n-1步進電機(On-1)與吸盤相連接,第n-1支桿(Ln-1)的右端通過第n-2步進電機(On-2)與第n-2支桿(Ln-2)的左端相連接,第n-2支桿(Ln-2)的右端通過第n-3步進電機(On-3)與第n-3支桿(Ln-3)的左端相連接,依此類推,直到第2支桿(L2)的右端通過第1步進電機(O1)與第1支桿(L1)的左端相連接,第1支桿(L1)的右端通過步進電機(O)與超聲探頭(L)的左端相連接,超聲探頭(L)的右端為(R);
步驟22、固定吸盤,設第n-1步進電機(On-1)點的坐標為坐標原點(0,0),并在坐標原點建立平面直角坐標系,第n-1支桿(Ln-1)與水平正方向的夾角為α,第n-2支桿(Ln-2)與水平正方向的夾角為β,依此類推,直到超聲探頭(L)與水平正方向的夾角為r,則第n-2步進電機(On-2)的坐標為on-2(xn-2,yn-2):
xn-2=Ln-1cosαyn-2=Ln-1sinα,]]>    公式(6)
第n-3步進電機(On-3)的坐標on-3(xn-3,yn-3)為:
xn-3=xn-2+Ln-2cosβyn-3=yn-2+Ln-2sinβ,]]>    公式(7)
依此類推,則步進電機(O)的坐標O(x0,y0)為:
x0=x1+L1cosγy0+y1+L1sinγ,]]>    公式(8)
超聲探頭右端(R)的坐標R(x,y)為:
x=x0+Lcosry=y0+Lsinr,]]>    公式(9)
采用可折疊多級旋轉超聲探頭對探測區域進行掃描時,步進電機驅動支桿旋轉,超聲探頭(L)掃描的探測區域的圖像由坐標O(x0,y0)和R(x,y)來定位。

2.  根據權利要求1所述的超聲探測成像方法,其特征在于,所述步驟3包括以下步驟:
步驟31:探測主機根據發收的超聲信號,在信號收發的探測區域根據B超成像方法,得到探測區域的圖像;
步驟32:圖像的拼接:根據數字信號處理模塊獲得的探測位置信息,探測主機將獲得探測區域的圖像放到相應位置上,對掃描獲取的圖像進行拼接;
步驟33:重復步驟31至32,直到得到掃描區域完整的圖像為止。

3.  根據權利要求1所述的超聲探測成像方法,其特征在于,所述步驟1包括以下步驟:
步驟11、根據掃描區域的大小和形狀,將吸盤固定在合適的位置;
步驟12、設置各級步進電機的速度,超聲探頭在步進電機的驅動下進行掃描采集探測區域的反射超聲信號,形成超聲回波探測信號;
步驟13、將超聲回波探測信號傳給探測主機。

4.  根據權利要求1所述的超聲探測成像方法,其特征在于,在步驟1中,所述的可折疊多級旋轉超聲探頭具有二個步進電機和一個支桿,在步驟2中,進行所述定位計算的具體方法包括以下步驟:
步驟A、把第1支桿(L1)的左端通過第1步進電機(O1)與吸盤相連,第1支桿(L1)的右端通過步進電機(O)與超聲探頭(L)的左端相連,超聲探頭(L) 的右端設為(R);
步驟B、固定吸盤,設第1步進電機(O1)的坐標為坐標原點(0,0),并在坐標原點建立平面直角坐標系,第1支桿(L1)與水平正方向的夾角為α,超聲探頭(L)與水平正方向的夾角為β,那么步進電機(O)的坐標為:
x0=L1cosαy0=L1sinα,]]>    公式(1)
超聲探頭(L)右端(R)的坐標為:
x=x0+Lcosβy=y0+Lsinβ,]]>    公式(2)
即步進電機(O)的坐標為O(x0,y0),超聲探頭右端(R)的坐標為R(x,y);
對探測區域進行掃描時,第1步進電機(O1)驅動第1支桿(L1)以某一角速度ω1旋轉,步進電機(O)驅動超聲探頭(L)以另一角速度ω0旋轉,第1支桿(L1)和超聲探頭(L)同時旋轉時,角度α、β由步進電機的脈沖個數來確定;超聲探頭(L)配以掃描運動采用線陣探測技術采集探測區域的圖像,在圖像的采集過程中,由公式(1)確定的步進電機(O)坐標O(x0,y0)和公式(2)確定的超聲探頭右端(R)坐標R(x,y),對超聲探頭(L)進行定位,從而對探測區域中的每部分圖像進行定位。

5.  根據權利要求1所述的超聲探測成像方法,其特征在于,在步驟1中,所述的可折疊多級旋轉超聲探頭具有三個步進電機和二個支桿,在步驟2中,進行所述定位計算的具體方法包括以下步驟:
步驟Ⅰ、把第2支桿(L2)的左端用第2步進電機(O2)與吸盤相連接,把第2支桿(L2)的右端用第1步進電機(O1)與第1支桿(L1)左端相連接;把第1支桿(L1)的右端用步進電機(O)與超聲探頭(L)的左端相連接,超聲探頭(L)右端設為(R);
步驟Ⅱ、固定吸盤,設第2步進電機(O2)的坐標為坐標原點(0,0),并在坐標原點(0,0)建立平面直角坐標系,第2支桿(L2)與水平正方向的夾角為α,第1支桿(L1)與水平正方向的夾角為β,超聲探頭(L)與水平正方向的夾角為γ,則第1步進電機(O1)點的坐標O1(x1,y1)為:
x1=L2cosαy1=L2sinα,]]>    公式(3)
步進電機(O)的坐標O(x0,y0)為:
x0=x1+L1cosβy0+y1+L1sinβ,]]>    公式(4)
超聲探頭右端(R)的坐標R(x,y)為:
x=x0+Lcosγy=y0+Lsinγ,]]>    公式(5)
對探測區域進行掃描時,第2步進電機(O2)驅動第2支桿(L2)以某一角速度ω2旋轉,第1步進電機(O1)驅動第1支桿(L1)以某一角速度ω1旋轉,步進電機(O)驅動超聲探頭(L)以某一角速度ω0旋轉,第2支桿(L2)、第1支桿(L1)和超聲探頭(L)同時旋轉時,角度α、β、γ由步進電機的脈沖個數來確定,超聲探頭(L)掃描的探測區域的圖像由坐標O(x0,y0)和R(x,y)來進行定位。

6.  一種實現權利要求1所述的超聲探測成像方法的裝置,包括:吸盤、圖像顯示器、探測主機、電源模塊和信號處理模塊,其特征在于,還包括可折疊多級旋轉超聲探頭,所述可折疊多級旋轉超聲探頭包括可折疊多級旋轉支架和超聲探頭,所述可折疊多級旋轉支架包括至少兩個支桿,所述支架依次活動連接,所述吸盤和超聲探頭通過可折疊多級旋轉支架活動連接,所述活動連接處設置有步進電機;所述步進電機用于將電脈沖信號轉變為角位移或線位移,當 步進電機的步進驅動器接收到脈沖信號時,步進驅動器驅動步進電機按照設定的方向轉動一個相應的角度,并通過脈沖頻率來控制步進電機轉動的速度和加速度,通過步進電機轉動的速度和加速度控制支桿和超聲探頭的旋轉速度和超聲探頭的掃描速度;所述吸盤用于把可折疊多級旋轉超聲探頭安置在合適的位置;
所述圖像顯示器、探測主機、信號處理模塊、可折疊多級旋轉超聲探頭和電源模塊依次連接,電源模塊還和信號處理模塊連接;
所述圖像顯示器、信號處理模塊和超聲探頭均與探測主機電氣連接,信號處理模塊和步進電機電氣連接,超聲探頭在步進電機的驅動下勻速掃描探測區域,獲得超聲探測回波信號,并將采集到的超聲探測回波信號返回給探測主機進行成像處理;步進電機將定位信號返回給信號處理模塊處理后,返回給探測主機具體的位置信息,探測主機接收經信號處理模塊處理過的位置信息后,進行圖像的拼接,并通過圖像顯示器將圖像顯示出來。

7.  根據權利要求6所述的裝置,其特征在于,還包括無線收發模塊,所述無線收發模塊、信號處理模塊、可折疊多級旋轉超聲探頭和電源模塊依次連接,所述電源模塊還和無線收發模塊相連接;
所述圖像顯示器、信號處理模塊、超聲探頭均與無線收發模塊電氣連接,探測主機通過無線收發模塊與信號處理模塊和超聲探頭進行無線通信。

8.  根據權利要求6所述的裝置,其特征在于,所述步進電機為開環控制元步進電機;所述超聲探頭為線陣超聲探測陣列,所述線陣超聲探測陣列在步進電機的驅動下做勻速運動,對探測區域進行掃描,并實時傳輸光電變換信號和進行動態測量,以獲取超聲回波探測信號,所述線陣超聲探測陣列拾取探測區域的超聲探測回波信號,信號處理模塊對探測區域的位置信息進行處理,探測 主機將獲取的超聲探測回波信號和位置信息進行成像和拼接生成圖像,最后將圖像發送給圖像顯示器。

說明書

說明書一種超聲探測成像方法與裝置
技術領域
本發明涉及一種探測范圍靈活可調的超聲探測技術,特別涉及一種超聲探測成像方法與裝置。
背景技術
隨著科技日益發展,對探測區域要求靈活多變且要對探測物體內部特性進行探測的超聲探測技術也顯得越來越重要,這類探測技術在工業、醫療、安全以及科研領域都有著廣泛應用,像是工業超聲檢測、醫療超聲探測等等都離不開探測區域靈活多變的超聲探測技術。因此,高精度、低成本、探測區域靈活的超聲探測技術顯得尤為重要和迫切。目前針對物體內部信息進行掃描探測主要采用線陣探測和面陣探測兩種方式。線陣探測方式是指將探測元件排列成一行,然后通過被探測物體和改行探測元件的相對勻速運動(一般是被探測物體勻速運動)進行對探測物體的逐行連續掃描,進而將一行行的圖像進行拼接等處理,將多行線陣圖像組成面陣圖像。而面陣探測方式是指將探測元件直接排成一個矩陣,用排列好的探測元件直接對被探測物體進行探測得到面陣圖像。面陣探測方式比較直觀、探測速度快,但所需探測元件比較多,成本較高,而且每行的探測元件一般比線陣少故探測精度也受到限制;線陣探測方式只有一行探測元件,因此可以布置相對面陣密集的探測元件以達到該行有較高的探測精度,但線陣探測方式需要進行圖像的拼接因此需要較為復雜的圖像處理方法。超聲探測技術從探測方式也分為手動探測和自動探測。手動探測的探測區域靈活可變,但是由于不知道超聲探頭的準確位置,導致探測后處理的圖像拼接上帶來很大麻煩,使得探測后處理算法復雜,成像準確性不高。自動探測由于知道超聲探頭的位置信息,很容易處理探測后處理的圖像拼接問題,但是這種探測一般探測區域是固定的。
發明內容
本發明的首要目的在于克服現有技術的缺點與不足,提供一種超聲探測成 像方法,該方法利用了可折疊多級旋轉超聲探頭進行區域掃描,可折疊多級旋轉超聲探頭在步進電機的驅動下按照固定時間間隔采集探測區域信息,進行成像,最后通過圖像處理技術實現各行圖像的拼接。
本發明的另一目的在于克服現有技術的缺點與不足,提供一種實現超聲探測成像方法的裝置,該裝置采用了線陣探測技術,結構簡單,在區域掃描中超聲探頭定位準確,易于操作,方便控制,精度高。
本發明的首要目的通過下述技術方案實現:一種超聲探測成像方法,包括以下步驟:
步驟1、步進電機驅動可折疊多級旋轉超聲探頭,所述可折疊多級旋轉超聲探頭的超聲探頭發射超聲信號,采集超聲回波探測信號并傳給探測主機;
步驟2、信號處理模塊對超聲探頭的位置信息進行定位計算,將位置信息傳給探測主機;
步驟3、探測主機對拾取的超聲回波探測信號進行成像,并根據位置信息進行圖像拼接,獲得探測目標的圖像;
步驟4、探測主機將得到的圖像通過圖像顯示器顯示出來;
在步驟2中,進行所述定位計算的方法包括以下步驟:
步驟21、步驟1中所述的可折疊多級旋轉超聲探頭具有n個步進電機和n-1個支桿,n為大于2的正整數;第n-1支桿Ln-1的左端通過第n-1步進電機On-1與吸盤1相連接,第n-1支桿Ln-1的右端通過第n-2步進電機On-2與第n-2支桿Ln-2的左端相連接,第n-2支桿Ln-2的右端通過第n-3步進電機On-3與第n-3支桿Ln-3的左端相連接,依此類推,直到第2支桿L2的右端通過第1步進電機O1與第1支桿L1的左端相連接,第1支桿L1的右端通過步進電機O與超聲探頭L的左端相連接,超聲探頭L的右端設為R;
步驟22、固定吸盤1,設第n-1步進電機On-1點的坐標為坐標原點(0,0),并在坐標原點建立平面直角坐標系,第n-1支桿Ln-1與水平正方向的夾角為α,第n-2支桿Ln-2與水平正方向的夾角為β,依此類推,直到超聲探頭L與水平正方向的夾角為r,則第n-2步進電機On-2點的坐標為on-2(xn-2,yn-2):
xn-2=Ln-1cosαyn-2=Ln-1sinα,]]>    公式(6)
第n-3步進電機On-3點的坐標on-3(xn-3,yn-3)為:
xn-3=xn-2+Ln-2cosβyn-3=yn-2+Ln-2sinβ,]]>    公式(7)
依此類推,則步進電機O的坐標O(x0,y0)為:
x0=x1+L1cosγy0+y1+L1sinγ,]]>    公式(8)
超聲探頭右端R點的坐標R(x,y)為:
x=x0+Lcosry=y0+Lsinr,]]>    公式(9)
采用可折疊多級旋轉超聲探頭對探測區域進行掃描時,步進電機驅動支桿旋轉,超聲探頭L掃描的探測區域的圖像由坐標O(x0,y0)和R(x,y)來準確定位。
基于多級旋轉的區域掃描裝置,具有靈活性,方便控制并能準備定位,克服了超聲探頭定位不準確帶來的探測圖像拼接困難,以及現有能定位超聲探頭陣列裝置復雜的問題。
所述步驟3包括以下步驟:
步驟31:探測主機根據發收的超聲信號,在信號收發的探測區域根據現有的B超成像方法,得到探測區域的圖像;
步驟32:圖像的拼接:根據數字信號處理模塊獲得的探測位置信息,探測主機將獲得探測區域的圖像放到相應位置上,對掃描獲取的圖像進行拼接;
步驟33:重復步驟31至32,直到得到掃描區域完整的圖像為止。
所述步驟1包括以下步驟:
步驟11、根據掃描區域的大小和形狀,將吸盤1固定在合適的位置;
步驟12、設置各級步進電機的速度,超聲探頭在步進電機的驅動下進行掃描采集探測區域的反射超聲信號,形成超聲回波探測信號;
步驟13、將超聲回波探測信號傳給探測主機。
作為優先,在步驟1中,所述的可折疊多級旋轉超聲探頭可以具有二個步進電機和一個支桿,在步驟2中,進行所述定位計算的具體方法包括以下步驟:
步驟A、把第1支桿L1的左端通過第1步進電機O1與吸盤1相連,第1支桿L1的右端通過步進電機O與超聲探頭L的左端相連,超聲探頭L的右端設為R;
步驟B、固定吸盤1,設第1步進電機O1點的坐標為坐標原點(0,0),并在坐標原點建立平面直角坐標系,第1支桿L1與水平正方向的夾角為α,超聲探頭L與水平正方向的夾角為β,那么步進電機O點的坐標為:
x0=L1cosαy0=L1sinα,]]>    公式(1)
超聲探頭L右端的R坐標為:
x=x0+Lcosβy=y0+Lsinβ,]]>    公式(2)
即步進電機O坐標為O(x0,y0),超聲探頭右端R的坐標為R(x,y);
對探測區域進行掃描時,將吸盤1固定在合適的位置,第1步進電機O1驅動第1支桿L1以某一角速度ω1旋轉,步進電機O驅動超聲探頭L以另一角速度ω0旋轉,第1支桿L1和超聲探頭L同時旋轉時,角度α、β由步進電機的脈沖個數來確定;超聲探頭L配以掃描運動采用線陣探測技術采集探測區域的圖像,在圖像的采集過程中,由公式(1)確定的O坐標O(x0,y0)和公式(2)確定的R坐標R(x,y),對超聲探頭L進行準確定位,從而對探測區域中的每部分圖像進行準確定位。
每部分區域圖像都能準確定位,那么探測主機將掃描獲取的圖像進行拼接,能恢復出高精度的圖像,從而達到區域掃描的目的。選取合適大小的支桿與水平正方向之間的夾角,將會使超聲探頭L掃描一周得到的圖形為環形,而若只采用一個步進電機O驅動超聲探頭L旋轉掃描一周的區域為圓。因此,采用這樣的二級旋轉裝置掃描一周的區域面積比超聲探頭L單獨旋轉掃描一周的區域面積大得多,從而可以較短的超聲探頭獲得較大的掃描面積,節省超聲探頭成 本。針對掃描區域難以完全掃描到的情況,掃描過程中可自適應地控制和調整支桿與水平正方向之間的夾角大小,實現區域的完全掃描,避免有些區域無法掃描覆蓋。
作為優先,在步驟1中,所述的可折疊多級旋轉超聲探頭也可以具有三個步進電機和二個支桿,在步驟2中,進行所述定位計算的具體方法包括以下步驟:
步驟Ⅰ、把第2支桿L2的左端用第2步進電機O2與吸盤1相連接,把第2支桿L2的右端用第1步進電機O1與第1支桿L1左端相連接;把第1支桿L1的右端用步進電機O與超聲探頭L的左端相連接,超聲探頭L右端設為R;
步驟Ⅱ、固定吸盤1,設第2步進電機O2點的坐標為坐標原點(0,0),并在坐標原點(0,0)建立平面直角坐標系,第2支桿L2與水平正方向的夾角為α,第1支桿L1與水平正方向的夾角為β,超聲探頭L與水平正方向的夾角為γ,則第1步進電機O1點的坐標O1(x1,y1)為:
x1=L2cosαy1=L2sinα,]]>    公式(3)
步進電機O點的坐標O(x0,y0)為:
x0=x1+L1cosβy0+y1+L1sinβ,]]>    公式(4)
超聲探頭右端R點的坐標R(x,y)為:
x=x0+Lcosγy=y0+Lsinγ,]]>    公式(5)
對探測區域進行掃描時,第2步進電機O2驅動第2支桿L2以某一角速度ω2旋轉,第1步進電機O1驅動第1支桿L1以某一角速度ω1旋轉,步進電機O驅動超聲探頭L以某一角速度ω0旋轉,第2支桿L2、第1支桿L1和超聲探頭L同時旋轉時, 角度α、β、γ由給步進電機加的脈沖個數來確定,超聲探頭L掃描的探測區域的圖像由坐標O(x0,y0)和R(x,y)來進行準確定位。
相比基于二級旋轉的區域掃描裝置,基于三級旋轉的區域掃描裝置可以長度更短的超聲探頭獲得較大的掃描面積。對于某些難以安放掃描設備的區域,采用本發明的基于三級旋轉的區域掃描裝置進行掃描,具有靈活性,方便控制并能準備定位,克服了現有設備對有些區域無法掃描的困難。
本發明的另一目的通過以下技術方案實現:一種實現超聲探測成像方法的裝置,包括:吸盤1、圖像顯示器、探測主機、電源模塊、信號處理模塊和可折疊多級旋轉超聲探頭,所述可折疊多級旋轉超聲探頭包括可折疊多級旋轉支架和超聲探頭,所述可折疊多級旋轉支架包括至少兩個支桿,所述支架依次活動連接,所述吸盤1和超聲探頭通過可折疊多級旋轉支架活動連接,所述活動連接處設置有步進電機;所述步進電機用于將電脈沖信號轉變為角位移或線位移,當步進電機的步進驅動器接收到脈沖信號時,步進驅動器驅動步進電機按照設定的方向轉動一個相應的角度,并通過脈沖頻率來控制步進電機轉動的速度和加速度,通過步進電機轉動的速度和加速度控制支桿和超聲探頭的旋轉速度和超聲探頭的掃描速度;所述吸盤1用于把可折疊多級旋轉超聲探頭安置在合適的位置;
如圖7所示,所述圖像顯示器、探測主機、信號處理模塊、可折疊多級旋轉超聲探頭和電源模塊依次連接,電源模塊還和信號處理模塊連接;
所述圖像顯示器、信號處理模塊和超聲探頭均與探測主機電氣連接,信號處理模塊和步進電機電氣連接,超聲探頭在步進電機的驅動下勻速掃描探測區域,獲得超聲探測回波信號,并將采集到的超聲探測回波信號返回給探測主機進行成像處理;步進電機將定位信號返回給信號處理模塊處理后,返回給探測主機具體的位置信息,探測主機接收經信號處理模塊處理過的位置信息后,進行圖像的拼接,并通過圖像顯示器將圖像顯示出來。
如圖8所示,本發明的實現一種超聲探測成像方法的裝置還包括無線收發模塊,所述無線收發模塊、信號處理模塊、可折疊多級旋轉超聲探頭和電源模塊依次連接,所述電源模塊還和無線收發模塊相連接;
所述圖像顯示器、信號處理模塊、超聲探頭均與無線收發模塊電氣連接,探測主機通過無線收發模塊與信號處理模塊和超聲探頭進行無線通信。
所述步進電機為開環控制元步進電機;所述超聲探頭為線陣超聲探測陣列, 所述線陣超聲探測陣列在步進電機的驅動下做勻速運動,對探測區域進行掃描,并實時傳輸光電變換信號和進行動態測量,以獲取高精度、定位準確的超聲回波探測信號,所述線陣超聲探測陣列拾取探測區域的超聲探測回波信號,信號處理模塊對探測區域的位置信息進行處理,探測主機將獲取的超聲探測回波信號和位置信息進行成像和拼接生成圖像,最后將圖像發送給圖像顯示器。
線陣超聲探測陣列相比面陣超聲探測陣列結構簡單,成本低。在同等測量精度的前提下,線陣超聲探測陣列測量范圍可以做的更大。線陣超聲探測陣列有實時傳輸光電變換信號、自掃描速度快、頻率響應高、能夠實現動態測量、并能在低照度下工作、拾取高圖像分辨率圖像等優點。線陣超聲探測陣列在步進電機驅動下做勻速運動對區域進行掃描獲取高精度、定位準確的超聲探測回波信息。探測主機與超聲探頭、信號處理模塊和圖像顯示器之間通過有線或無線方式進行通信,實現數據的采集傳送、分析處理和顯示功能,并向各部分發出指令,完成機械傳動、超聲信號的收發、圖像處理及探測功能。超聲探頭配以掃描運動拾取探測區域的超聲探測回波信號,信號處理模塊對探測區域的位置信息進行處理,探測主機將獲取的超聲探測回波信號和位置信息進行成像和拼接生成圖像,最后將圖像發送給圖像顯示器。該區域掃描裝置基于多級旋轉能在線陣探測技術下實現圖像的準確定位,實現成像。
本發明的技術方案還可以描述如下:
具體的成像步驟如下:
步驟1:探測主機根據發收的超聲信號,在信號收發的探測區域根據現有的成像方法,得到探測區域的圖像;
步驟2:圖像的拼接:根據數字信號處理模塊獲得的探測位置信息,將獲得探測區域的圖像放到相應位置上去;
步驟3:通過不斷的定位掃描,重復步驟1和2,從而得到完整的圖像。
系統具體流程如圖6所示:首先超聲探頭在步進電機的驅動下進行發射超聲信號并采集超聲回波探測信號并傳給探測主機,信號處理模塊對超聲探頭陣列位置信息進行定位計算,將位置信息傳給探測主機,探測主機對拾取的超聲回波探測信號進行成像,并根據位置信息進行圖像拼接,獲得探測目標的圖像,最后探測主機將得到的圖像通過圖像顯示器顯示出來。
1、可折疊多級旋轉的超聲探測方法:
可折疊多級旋轉的超聲探測方法的主要步驟如下:根據掃描區域的大小和形狀,將吸盤1固定在合適的位置,設置各級步進電機的速度,超聲探頭在步進電機的驅動下進行掃描采集探測區域的反射超聲信號,為后面的成像提供信息。超聲探頭定位的具體方法如下:
(1)二級旋轉定位方法:
基于二級旋轉的區域掃描具體裝置如圖3a所示,其裝置示意圖如圖3b所示,二級旋轉定位方法的數學模型如圖3c所示。裝置中采用了兩個步進電機。第1支桿L1左端與吸盤1、第1步進電機O1相連,第1支桿L1右端與步進電機O相連,超聲探頭L的左端與步進電機O相連,超聲探頭L右端為R。固定吸盤1,設第1步進電機O1點的坐標為坐標原點(0,0)并在坐標原點建立平面直角坐標系,第1支桿L1與水平正方向的夾角為α,超聲探頭L與水平正方向的夾角為β,那么步進電機O點的坐標為:
x0=L1cosαy0=L1sinα,]]>    公式(1)
超聲探頭L右端的R坐標為:
x=x0+Lcosβy=y0+Lsinβ,]]>    公式(2)
即O坐標為O(x0,y0),R坐標為R(x,y)。進行區域掃描時,將吸盤1固定在合適的位置,第1步進電機O1驅動第1支桿L1以某一角速度ω1旋轉,步進電機O驅動超聲探頭L以另一角速度ω0旋轉,第1支桿L1和超聲探頭L同時旋轉時,角度α、β是由給步進電機加的脈沖個數確定。超聲探頭L配以掃描運動采用線陣探測技術采集探測區域的圖像,在圖像的采集過程中,由公式(1)確定的O坐標O(x0,y0)和公式(2)確定的R坐標R(x,y)能對超聲探頭L進行準確定位,因而 實現對每部分探測區域圖像的準確定位。每部分區域圖像都能準確定位,那么探測主機將掃描獲取的圖像進行拼接,能恢復出高精度的圖像,從而達到區域掃描的目的。選取合適大小的ω1、ω0,將會使超聲探頭L掃描一周得到的圖形為環形,而若只采用一個步進電機O驅動超聲探頭L旋轉掃描一周的區域為圓。因此,采用這樣的二級旋轉裝置掃描一周的區域面積比超聲探頭L單獨旋轉掃描一周的區域面積大得多,從而可以較短的超聲探頭獲得較大的掃描面積,節省超聲探頭成本。針對掃描區域難以完全掃描到的情況,掃描過程中可自適應地控制和調整ω1、ω0的大小,實現區域的完全掃描,避免有些區域無法掃描覆蓋。
(2)三級旋轉定位方法:
基于三級旋轉的區域掃描具體裝置如圖4a所示,其裝置示意圖如圖4b所示,三級旋轉定位方法的數學模型如圖4c所示,裝置中采用了三個步進電機,第2支桿L2左端通過第2步進電機O2與吸盤1相連接,第2支桿L2右端與第1步進電機O1相連;第1支桿L1左端與第1步進電機O1相連,第1支桿L1右端與步進電機O相連;超聲探頭L(線陣超聲探測陣列)左端與步進電機O相連,超聲探頭L右端為R,固定吸盤1,設第2步進電機O2點的坐標為坐標原點(0,0)并在坐標原點建立平面直角坐標系,第2支桿L2與水平正方向的夾角為α,第1支桿L1與水平正方向的夾角為β,超聲探頭L與水平正方向的夾角為γ,那么第1步進電機O1點的坐標O1(x1,y1)為:
x1=L2cosαy1=L2sinα,]]>    公式(3)
步進電機O點的坐標O(x0,y0)為:
x0=x1+L1cosβy0+y1+L1sinβ,]]>    公式(4)
超聲探頭右端R點的坐標R(x,y)為:
x=x0+Lcosγy=y0+Lsinγ,]]>    公式(5)
對區域進行掃描時,第2步進電機O2驅動第2支桿L2以某一角速度ω2旋轉,第1步進電機O1驅動第1支桿L1以某一角速度ω1旋轉,步進電機O驅動超聲探頭L以某一角速度ω0旋轉,第2支桿L2、第1支桿L1和超聲探頭L同時旋轉時,角度α、β、γ由給步進電機加的脈沖個數確定。超聲探頭L掃描的探測區域的圖像由坐標O(x0,y0)和R(x,y)準確定位。相比基于二級旋轉的區域掃描裝置,基于三級旋轉的區域掃描裝置可以長度更短的超聲探頭獲得較大的掃描面積。對于某些難以安放掃描設備的區域,采用本發明的基于三級旋轉的區域掃描裝置進行掃描,具有靈活性,方便控制并能準備定位,克服了現有設備對有些區域無法掃描的困難。
(3)多級旋轉定位方法:
基于多級旋轉的可控區域掃描裝置,由探測主機、超聲探頭、電源模塊和多個步進電機組成。步進電機個數為n(n為大于或等于2的正整數),即為基于n級旋轉的可控區域掃描裝置。
基于n級旋轉的區域掃描具體裝置如圖5a所示,其裝置示意圖如圖5b所示,n級旋轉定位方法的數學模型如圖5c所示。裝置中采用了n個步進電機。第n-1支桿Ln-1左端與吸盤1、第n-1步進電機On-1相連,第n-1支桿Ln-1右端與第n-2步進電機On-2相連;第n-2支桿Ln-2左端與第n-2步進電機On-2相連,第n-2支桿Ln-2右端與第n-3步進電機On-3相連,依此類推;超聲探頭L(線陣超聲探測陣列)左端與步進電機O相連,超聲探頭L右端為R。固定吸盤1,設第n-1步進電機On-1點的坐標為坐標原點(0,0)并在坐標原點建立平面直角坐標系,第n-1支桿Ln-1 與水平正方向的夾角為α,第n-2支桿Ln-2與水平正方向的夾角為β,依此類推,超聲探頭L與水平正方向的夾角為r,那么第n-2步進電機On-2點的坐標為on-2(xn-2,yn-2)為:
xn-2=Ln-1cosαyn-2=Ln-1sinα,]]>    公式(6)
第n-3步進電機On-3點的坐標on-3(xn-3,yn-3)為:
xn-3=xn-2+Ln-2cosβyn-3=yn-2+Ln-2sinβ,]]>    公式(7)
依此類推,步進電機O的坐標O(x0,y0)為:
x0=x1+L1cosγy0+y1+L1sinγ,]]>    公式(8)
超聲探頭右端R點的坐標R(x,y)為:
x=x0+Lcosry=y0+Lsinr,]]>    公式(9)
采用基于n級旋轉的裝置對區域進行掃描時,所有支桿在步進電機的驅動下旋轉,超聲探頭L掃描的探測區域的圖像由坐標O(x0,y0)和R(x,y)準確定位。基于多級旋轉的區域掃描裝置,具有靈活性,方便控制并能準備定位,克服了超聲探頭定位不準確帶來的探測圖像拼接困難,以及現有能定位超聲探頭陣列裝置復雜的問題。
2、可折疊多級旋轉掃描的超聲成像方法:
可折疊多級旋轉的超聲探測裝置采集到超聲探測回波信號后,將信號送給探測主機,探測主機對拾取的信號進行區域成像,然后對不同探測區域的圖像進行拼接并處理進而獲得定位準確的圖像,從而實現區域的掃描探測。
本發明的裝置有兩種實現方式:有線系統裝置和無線系統裝置。有線系統裝置如圖1所示,包括圖像顯示器、探測主機、信號處理模塊、超聲探頭、步進電機和電源模塊。其中超聲探頭和步進電機組合成了一個可折疊多級旋轉的 超聲探頭。探測主機和圖像顯示器、信號處理模塊、超聲探頭相連,信號處理模塊還和步進電機相連,超聲探頭在步進電機的驅動下勻速掃描探測區域獲得超聲探測回波信號,并將采集超聲探測回波信號返回給探測主機進行成像處理;步進電機將定位信號返回給信號處理模塊處理后,返回給探測主機具體的位置信息,探測主機接收經信號處理模塊處理過的位置信息后、進行圖像的拼接,最后通過圖像顯示器將圖像顯示出來。
無線系統的系統信號流程如圖2所示,包括圖像顯示器、探測主機、無線收發模塊、信號處理模塊、超聲探頭、步進電機和電源模塊。其中超聲探頭和步進電機組合成了一個可折疊多級旋轉的超聲探頭。無線收發模塊和圖像顯示器、信號處理模塊、超聲探頭相連,信號處理模塊與步進電機相連,探測主機和圖像顯示器通過無線收發模塊與信號處理模塊、超聲探頭之間進行通信。
所述可折疊多級旋轉的超聲探頭,具有超聲探頭、步進電機、吸盤1和支桿。
超聲探頭是線陣超聲探測陣列,線陣超聲探測陣列相比面陣超聲探測陣列結構簡單,成本低。在同等測量精度的前提下,線陣超聲探測陣列測量范圍可以做的更大。線陣超聲探測陣列有實時傳輸光電變換信號、自掃描速度快、頻率響應高、能夠實現動態測量、并能在低照度下工作、拾取高圖像分辨率圖像等優點。線陣超聲探測陣列在步進電機驅動下做勻速運動對區域進行掃描獲取高精度、定位準確的超聲探測回波信息。
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機。當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度,并通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度。本發明中步進電機主要是對支桿和超聲探頭起驅動作用并控制支桿旋轉速度和超聲探頭掃描速度。
吸盤1是固定超聲探頭作用,支桿是將超聲探頭、電機和吸盤1組合到一起的作用。
探測主機與超聲探頭、信號處理模塊和圖像顯示器之間通過有線或無線方式進行通信,實現數據的采集傳送、分析處理和顯示功能,并向各部分發出指令,完成機械傳動、超聲信號的收發、圖像處理及探測功能。超聲探頭配以掃描運動拾取探測區域的超聲探測回波信號,信號處理模塊對探測區域的位置信息進行處理,探測主機將獲取的超聲探測回波信號和位置信息進行成像和拼接 生成的圖像,最后將圖像發送給圖像顯示器。該區域掃描裝置基于多級旋轉能在線陣探測技術下實現圖像的準確定位,實現成像。
本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
本發明為了克服手動探測的超聲探頭定位不準,以及自動探測的探測區域不能靈活可調,以及現有能定位超聲探頭陣列裝置復雜的問題,提出了一種可折疊多級旋轉、探測區域靈活可調的超聲探測成像裝置及方法。本發明為了克服手動探測的超聲探頭定位不準,以及自動探測的探測區域固定,以及現有能定位超聲探頭陣列裝置復雜的不足,提出了一種可折疊多級旋轉、探測區域靈活可調的超聲探測成像裝置及方法。該方法利用多級步進電機驅動線陣超聲探測陣列進行區域掃描,線陣超聲探測陣列在步進電機的驅動下按照固定時間間隔采集探測區域信息,進行成像,最后通過圖像處理技術實現各行圖像的拼接。該方法采用線陣探測技術,裝置簡單,在區域掃描中超聲探頭定位準確,易于操作,方便控制,精度高。本發明區域掃描時超聲探頭定位準確,探測圖像拼接準確,應用范圍廣,計算精度高,成本低廉,安裝簡單,易于控制,使用方便。
本發明克服了自動超聲探測裝置的探測范圍固定的不足。本發明的探測區域的動態范圍大,可以進行指定區域探測。本發明克服了手動探測中,超聲探頭定位不準確帶來的探測圖像拼接困難。本發明采用多級步進電機驅動超聲探頭旋轉,每一級步進電機都能準確定位,使得超聲探頭能被準確定位,因而超聲探頭在掃描過程中采集的各區域圖像都能被準確定位,為圖像的拼接帶來了方便,因而在區域掃描時能獲得高精度的探測圖像。本發明采用線陣探測技術,超聲探頭采用線陣超聲探測陣列,相比面陣超聲探測陣列結構簡單,成本低。本發明基于多級旋轉,能以較短的超聲探頭獲得較大的掃描面積,故能降低超聲探頭成本。本發明裝置結構簡單,可折疊,便攜和成本低。采用多級步進電機驅動超聲探頭旋轉,可以自適應地調節各步進電機的轉速,使得掃描覆蓋的范圍達到足夠大,能避免有些區域不能被掃描到。
附圖說明
圖1是本發明裝置的有線連接方式的系統信號流程框圖。
圖2是本發明裝置的無線連接方式的系統信號流程框圖。
圖3a是基于二級旋轉的區域掃描具體裝置圖。
圖3b是基于二級旋轉的區域掃描裝置示意圖。
圖3c是基于二級旋轉的區域掃描裝置的數學模型圖。
圖4a是基于三級旋轉的區域掃描具體裝置圖。
圖4b是基于三級旋轉的區域掃描裝置示意圖。
圖4c是基于三級旋轉的區域掃描裝置的數學模型圖。
圖5a是基于n級旋轉的區域掃描具體裝置圖。
圖5b是基于n級旋轉的區域掃描裝置示意圖。
圖5c是基于n級旋轉的區域掃描裝置的數學模型圖。
圖6是本發明裝置的算法流程示意圖。
圖7為本發明裝置的有線連接方式的系統結構框圖。
圖8為本發明裝置的無線連接方式的系統結構框圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述,但本發明的實施方式不限于此。
實施例
如圖1所示,是一個B超系統的系統信號流程框圖,包括吸盤1和可折疊多級旋轉超聲探頭,所述可折疊多級旋轉超聲探頭包括一個支桿、超聲探頭和二個步進電機,所述步進電機采用常州巨力精密電機有限公司型號為PM42的小型步進電機,吸盤1采用30x30(mm)圓形塑料吸盤1,支桿的材料為PVC塑料,超聲探頭B型超聲線陣超聲探頭陣列。本發明裝置中信號處理模塊模塊的控制處理器使用ARM-9芯片實現,探測主機采用B超探測主機,步進電機的個數為2,即為基于2級旋轉的可控區域掃描裝置,第1支桿L1=8cm,超聲探頭L的長度為4cm,ω0取30度/秒,ω1取90度/分鐘,探測中,α的角度從0到360度,β的角度從0到90度。
基于二級旋轉的區域掃描具體裝置如圖3a所示,其裝置示意圖如圖3b所示,二級旋轉定位方法的數學模型如圖3c所示。裝置中采用了兩個步進電機、一個支桿和一個超聲探頭,所述超聲探頭采用線陣超聲探測陣列。第1支桿L1的左端與吸盤1、第1步進電機O1相連,第1支桿L1右端與步進電機O相連,超聲探 頭L的左端與步進電機O相連,超聲探頭L右端為R。固定吸盤1,設第1步進電機O1點的坐標為坐標原點(0,0)并在坐標原點建立平面直角坐標系,第1支桿L1與水平正方向的夾角為α,超聲探頭L與水平正方向的夾角為β,那么步進電機O點的坐標為:
    公式(10)
超聲探頭L右端的R坐標為:
    公式(11)
即O點的坐標為O(x0,y0),R點的坐標為R(x,y)。進行區域掃描時,將吸盤1固定在合適的位置,第1步進電機O1驅動支桿L1以某一角速度ω1旋轉,步進電機O驅動超聲探頭L以另一角速度ω0旋轉,第1支桿L1和超聲探頭L同時旋轉時,角度α、β是由給步進電機加的脈沖個數確定。超聲探頭L配以掃描運動采用線陣探測技術采集探測區域的圖像,在圖像的采集過程中,由公式(10)確定的O坐標O(x0,y0)和公式(11)確定的R坐標R(x,y)能對超聲探頭L進行準確定位,因而實現對每部分探測區域圖像的準確定位。
整個探測系統具體的算法流程如圖6所示:首先超聲探頭在步進電機的驅動下進行發射超聲信號并采集超聲回波探測信號并傳給探測主機,信號處理模塊對超聲探頭陣列位置信息進行定位計算,將位置信息傳給探測主機,探測主機對拾取的超聲回波探測信號進行成像,并根據位置信息進行圖像拼接,獲得探測目標的圖像,最后探測主機將得到的圖像通過圖像顯示器顯示出來。
其中,探測主機的成像過程為:
步驟1:探測主機根據發收的超聲信號,在信號收發的探測區域根據現有的B超的成像方法,得到探測區域的圖像;
步驟2:圖像的拼接:根據數字信號處理模塊獲得的探測位置信息,將獲得探測區域的圖像放到相應位置上去;
步驟3:通過不斷的定位掃描,重復步驟1至2,從而得到完整的圖像。
上述實施例為本發明較佳的實施方式,但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制,其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應為等效的置換方式,都包含在本發明的保護范圍之內。

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一種 超聲 探測 成像 方法 裝置
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