用于醫(yī)學(xué)超聲診斷的新型陣列超聲換能器的寬帶基陣設(shè)計(jì)方法.pdf

1、從醫(yī)學(xué)超聲診斷和超聲治療儀器與醫(yī)用超聲換能器的相互關(guān)系可以看出，醫(yī)用超聲換能器的發(fā)展對(duì)提高和加速醫(yī)學(xué)超聲診斷和超聲治療儀器的發(fā)展(包括新型器件及整機(jī)的研制、已有儀器與設(shè)備性能的改善與提高等)都起著決定性的作用。超聲成像系統(tǒng)的性能好壞又很大程度上決定于超聲換能器的聲場(chǎng)特性的改善。在實(shí)際應(yīng)用中，醫(yī)用超聲診斷儀通常是以圖像形式提供診斷信息的，因此圖像質(zhì)量的判別對(duì)整機(jī)性能和臨床診斷有效性的評(píng)價(jià)都是十分必要的。隨著對(duì)超聲圖象信息要求的不斷提高，相

2、應(yīng)的就對(duì)超聲聲場(chǎng)的波束處理提出了更高的要求。波束形成是對(duì)基陣各個(gè)基元接收信號(hào)進(jìn)行一系列處理的過程，從最初的將各基元輸出信號(hào)簡(jiǎn)單相加，發(fā)展到對(duì)各基元信號(hào)的加權(quán)、延時(shí)、求和等處理。換能器基陣的類型也從最簡(jiǎn)單的均勻線陣列發(fā)展到了凸陣列、環(huán)陣列和相控陣等。 對(duì)于最簡(jiǎn)單的基陣——均勻線陣來說，波束形成包括加權(quán)、延時(shí)、求和等處理過程，其最簡(jiǎn)單的處理就是把各個(gè)基元的輸出信號(hào)作最簡(jiǎn)單的相加，但這樣形成的指向性函數(shù)性能仍然不能滿足醫(yī)學(xué)超聲在臨床診

3、斷中的需要，適用的頻帶相對(duì)較窄。 本文采用理論分析與程序模擬相結(jié)合，從陣列換能器聲場(chǎng)指向性進(jìn)行分析，提出一種新型陣列換能器的設(shè)計(jì)方法：利用三個(gè)子陣，子陣列基元個(gè)數(shù)相同，調(diào)整基元間距，使一個(gè)子陣的指向性函數(shù)旁瓣或柵瓣對(duì)應(yīng)其它子陣列的指向性函數(shù)零點(diǎn)，整體效應(yīng)是三個(gè)子陣指向性函數(shù)的乘積。這樣得到的波束系統(tǒng)具有更好的指向性，因而有更強(qiáng)的抗噪聲能力；這種設(shè)計(jì)方法能保證前面很多柵瓣被其它子陣的零點(diǎn)抵消(被抵消的柵瓣個(gè)數(shù)由基元個(gè)數(shù)決定，基元個(gè)

4、數(shù)越多，被抵消的柵瓣越多)。用其它子陣的零點(diǎn)抵消主瓣附近的旁瓣，因此在主瓣附近，旁瓣有較大的衰減。對(duì)于醫(yī)學(xué)超聲診斷用的新型陣列超聲換能器寬帶基陣的設(shè)計(jì)與制作有重要的實(shí)用意義。 通過本文的研究工作，得出的主要結(jié)論如下： (1)采用三個(gè)子間距不同的陣列組成線陣列換能器，在很好的選擇三個(gè)陣列間距的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到三個(gè)子陣列的指向性函數(shù)主瓣位置相同，旁瓣、柵瓣與零點(diǎn)的位置互相錯(cuò)開，相乘之后可以互相抵消，取得減小主瓣寬度、降低柵瓣

5、、消除部分柵瓣、加大頻率使用范圍、提高分辨率的作用。 (2)三個(gè)不同間距的子陣列的陣元互相錯(cuò)開排列在同一列上，縮小了換能器尺寸。對(duì)于兩組有重疊的基元，選擇移動(dòng)其中一個(gè)子陣元的位置，使重疊的四個(gè)基元完全重合。這樣可以減少基元數(shù)目，降低制作成本，簡(jiǎn)化制作工藝。醫(yī)學(xué)超聲診斷用于腹部和婦產(chǎn)科超聲診斷的超聲信號(hào)的頻率范圍一般為為2.5MHz～5MHz，本文中取3.5MHz。介質(zhì)中的波速取1540m/s。結(jié)合陣元參數(shù)對(duì)換能器性能的影響計(jì)算，

6、得到一組新型線陣列換能器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。 (3)對(duì)每個(gè)環(huán)基元進(jìn)行切向方向上的微元分割，把整個(gè)環(huán)陣列看作是無數(shù)個(gè)徑向方向上的線陣列的積分，采用與線陣列設(shè)計(jì)中相同數(shù)據(jù)來制作環(huán)陣列。從程序模擬出來的聲場(chǎng)指向性圖可以看出取得減小主瓣寬度、降低柵瓣、消除部分柵瓣、加大頻率使用范圍、提高分辨率的作用和效果。 通過對(duì)比分析選擇了由兩個(gè)子陣列組成環(huán)陣列，間距大的子陣列在內(nèi)側(cè)、間距小子陣列的在外側(cè)，效果與用三個(gè)子陣列時(shí)相當(dāng)。減少陣元數(shù)目，提高