基于超声平面波成像的钢轨螺孔裂纹检测方法研究

轨道交通在当今社会生产活动中发挥着重要作用。目前在役钢轨大量采用鱼尾板和螺栓联接的方式铺设。钢轨接头在服役过程中会频繁受到冲击载荷作用,容易诱发螺孔裂纹损伤。尽早发现螺孔裂纹,并对裂纹进行定量测量,是保障铁路运输安全,避免发生严重事故的关键。超声相控阵成像检测方法具有精度高、环境适应性强、实施方便的优点,在钢轨在役无损检测中得到了广泛的应用。然而,传统相控阵斜入射扇扫成像方法受裂纹倾斜角度的影响,在工业实践中依赖工人的主观判断和分析能力,难以实现检测的定量化与标准化。基于以上背景,本文提出了一种基于超声平面波全聚焦成像的钢轨螺孔裂纹检测方法。使用复合平面波成像方法对钢轨内部螺孔及附近区域进行高精度重建,获得裂纹伤损的初步检测图像。基于编码器信息,将多个扫查点上的初步检测图像融合,得到合成检测图像,从而覆盖不同倾斜角度的裂纹。基于主成分分析方法,对裂纹倾斜角度进行定量分析,进而借助方向最大强度投影方法,得到裂纹长度的定量检测结果。所述方法在钢轨螺孔裂纹试件检测试验中实现了对[-45°,45°]范围内裂纹的100%检出率;裂纹定位误差最大值为1.47 mm,接近1个波长;长度检测误差最大值1.17 mm,小于1个波长;裂纹角度检测误差最大5.01°。所述方法需要的设备结构简单,可集成于移动式钢轨巡检设备,具备自动化实施的能力。

自适应波束形成在超声平面波造影的应用

目前,超声平面波造影图像空间分辨率和信噪比的提升主要依赖于相干角度复合技术。然而,角度复合次数的增加,势必导致造影成像帧率的下降以及微泡击碎率的提升。为了克服该技术瓶颈,本文将具有更窄主瓣宽度和更强干扰/背景噪声抑制能力的自适应波束形成应用于超声平面波造影成像,力求以较少的角度复合次数达到与常规波束形成方法相当甚至更优的空间分辨率和信噪比。其中,采用前后向空域平滑方法对阵列协方差矩阵进行解相干处理,以抑制多次反射回波和相干杂波,最后引入对角加载技术以提升自适应方法的稳健性。本文使用迈瑞公司的Resona7平台配以L11-3U线阵探头,采集平面波造影通道数据进行MATLAB仿真,验证了所提出方法的有效性和性能优势。基于体模数据的仿真结果显示,在同为17次相干角度复合的条件下,本文方法的横向分辨率优于常规波束形成方法;基于犬肝脏活体数据(注射Sono Vue造影,剂量为0.05m L/kg)的仿真结果则表明,本文方法只需9次复合即可达到与常规方法13次复合相当的造影信噪比。

用于超声散斑跟踪血流测速的多角度平面波局部运动补偿

血流速度剖面用于计算壁面剪切率等血流动力学指标,与动脉粥样硬化病程发展密切相关。超快超声散斑跟踪广泛用于血流速度剖面估计,然而多角度平面波复合成像存在血流散射体的运动伪影,不利于流速估计。提出了一种多角度平面波复合成像的局部运动补偿法,对射频信号时间序列的相邻帧进行局部运动补偿来消除不同径向位置的运动伪影,从而提高流速测量准确性。相比直接相干复合,B-MoCo法将仿真、仿体实验中流速测量结果的归一化均方根误差平均减小了10.37%、37.82%,说明了B-MoCo法的有效性。基于兔骼动脉的实测实验进一步证明了B-MoCo法的临床可行性。综上,B-MoCo法能够有效提高血流速度剖面的测量精度,有助于相关心血管疾病的早期诊断与病程监测。

一种基于Casorati-奇异值分解的超快平面波超声多普勒自适应时空域杂波抑制算法

超快超声平面波成像技术实现了超声的高帧频大视野同步采集,捕捉到更多有效原始信息,而传统滤波器在处理这种大视野数据方面有诸多不足。该文基于Casorati奇异值分解(Casorati-SVD)技术提出一种改进的自适应杂波抑制算法:首先,选取一个区域的原始平面波数据构建Casorati数据矩阵并进行奇异值分解;其次,根据分解后分量的多普勒频率和能量自适应匹配合适的滤波截止参数,抑制组织杂波和噪声并提取血流信号;最后,对每个区域重复前面的步骤并统计所有输出获取最终图像。该文分别在仿体、人体手臂动脉和家兔脑血流的回波信号上验证该算法抑制杂波的能力,这些实验结果表明,相比全局Casorati奇异值分解滤波器,这种改进的分区域自适应滤波算法将信噪比(SNR)提高4.4%~50%,对比信噪比(CNR)提高4.7%~55.9%。该技术实现了多普勒血流成像的空间自适应滤波,对临床血流成像的发展有重要意义。

基于微型阵列换能器的复合多角度平面波超快速超声成像

超声内窥镜成像多使用传统聚焦超声成像技术,成像帧率较低,难以满足临床部分对成像速率要求较高的应用需要。在近年来的热点研究领域中,平面波超快速成像技术可以获得较高的成像帧率,并保证成像的质量。因此,该文提出一种基于微型线阵超声换能器的平面波超快速成像技术,并通过仿真计算和仿体实验验证了该方法的有效性。实验结果表明,应用在平面波超快速成像的微型换能器,设计时需要充分考虑阵元宽度与阵元个数的配合,才能获得良好的平面波成像效果。这为今后在介入式超声成像、超声内窥镜等环境下进行平面波超快速成像奠定了基础。

一种基于平面波技术的三维超声成像方法研究

三维超声成像能提供直观和真实感的组织信息,便于医生对医学体进行观察和分析,已广泛应用于疾病诊断、手术规划和导航中。针对现有超声技术在采集速度和图像质量上的不足,该文采用一种新型的多角度平面波技术获得超声回波信号,并通过USB3.0高速端口传输到PC端,然后进行平面波相干合成、对数压缩、超声序列存储及三维重建等操作,搭建了实验平台并进行测试,研究表明该文方法具有采集速度高,成像效果好的优势。

基于平面波的高帧频向量血流成像

针对传统医学超声血流成像中成像帧频低、检测结果依赖于血流方向的问题,提出高帧率二维向量血流成像方法.该方法结合了平面波成像、多合成孔径成像、二维自相关以及空间复合成像等技术.在接收模式下,采用左、右两个子孔径进行偏转角度波束形成,获得横向与轴向的血流速度信息.向量血流成像方法的有效性经过了Field II仿真实验、仿体实验及在体实验的验证.仿真实验表明:轴向血流速度的估计误差约为0.035m/s,估计方差约为0.001 3m/s;横向血流估计误差约为0.08m/s,标准差约为0.009m/s;通过与近期发表的平面波向量血流成像方法进行对比,本文方法的横向估计速率提高了0.02m/s,轴向估计速率提高了0.003m/s.通过沿不同角度多次发射平面波,采用复合成像技术,血流估计的稳定性得到了极大的改善.

基于CUDA的多角度平面波复合算法研究

多角度平面波复合算法是超快速超声成像技术的基础,有利于提高传统聚焦超声的成像帧频及分辨率。但是现有的多角度平面波复合技术由于其计算量较大,导致CPU计算耗时不能满足实时成像要求。该文提出了基于CUDA架构的多角度平面波复合算法,并进行了仿真工作以及对比实验。实验结果表明,基于GPU的多角度平面波复合计算耗时远低于CPU计算方法,可以大幅度提高计算速度以满足超声设备实时成像要求。

基于高分辨超声成像平台的无创血管力学及动力学特性分析研究报告

该研究提出了一种可同时无创测量颈动脉壁力学特性、血管壁剪切率的变化以及脉搏波在局部短距离血管片段上传播速度的超声定量成像和评价方法。为了提高超声成像的分辨性能,同时补偿由于入射角度不同造成的血管侧壁灰度的非均匀性,在应变估计之前首先对超声图像进行了高分辨图像重建与灰度非均匀性的校正。在相同的成像平面下,保持声束与血流的夹角呈90°,血流速度与剪切率沿管径的分布可由沿血管直径方向采集的若干个位置处的横向多普勒信号重建得到。最后,使用超快速平面波成像技术结合射频互相关算法可获取沿38 mm血管片段的膨胀波群及脉搏波传播速度。目前临床动脉粥样硬化病人的在体实验已证实了该方法在斑块早期诊断中的有效性,因此该研究提出的超声定量成像和评价方法有望成为一种颈动脉粥样硬化斑块普查的新手段。