超聲5講b型超聲波束聚焦發(fā)射與控制

1、2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,1,第5講B型超聲波束、聚焦發(fā)射與控制,盧廣文南方醫(yī)科大學2019年9月,Scanning, Focusing & Controlling For Ultrasonic Beam,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,2,振元線性排列,扇形掃描,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,3,1.兩條掃描線間隔的時間和那些參數(shù)有關(guān)？,2.n 條掃描線完成的時間決定了什么時間？,復習問題？,2019年9月

2、,醫(yī)學超聲儀器原理,4,CONTENTS,,線陣探頭多元組合發(fā)射接收,,超聲波束的掃描,,聲束的聚焦,,發(fā)射多路轉(zhuǎn)換開關(guān),2,4,,發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,5,1. 線陣探頭多元組合發(fā)射接收,,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,6,原因——輻射面積小，對超聲擴散角的影響,例如：對于圓形輻射器而言，其發(fā)散角為,其中：?１為半擴散角，　　 ｄ為振元的輻射面直徑，　　 ?為媒質(zhì)的波長。,為什么要多振元組

3、合發(fā)射？,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,7,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,8,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,9,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,10,結(jié)論：振元的尺寸越小、面積越小，波束的擴散角越大，波束的指向性越差。　　這勢必影響儀器的橫向分辨力，從而導致反射能量的減弱，使靈敏度降低。　　因此，在現(xiàn)代的超聲儀器中常常將多個振元組合應用。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,11,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,12,

4、2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,13,多振元組合發(fā)射帶來的問題,——輻射面積，對超聲近場的影響　　 輻射面積加大，超聲近場也增大,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,14,2. 超聲波束的掃描,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,15,（1）電子線陣的掃描如何進行？,電子線陣Electronic Linear Array由多個壓電振元成線陣或弧形排列構(gòu)成的，發(fā)射時在控制信號的作用下，各振元按一定的方式被分組組合激勵，產(chǎn)生合成波束發(fā)

5、射。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,16,問題？電子開關(guān)的相關(guān)知識,14051B,多路電子開關(guān)14051的原理和應用　實現(xiàn)電子掃描的工作過程,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,17,幾種掃描方式,對振元不同順序分組激勵，可以形成不同的發(fā)射波束掃描。組合順序掃描組合間隔掃描微角掃描,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,18,組合順序掃描,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,19,,電子開關(guān)順序切換方式將ｍ（這里 m=4 ）個振元

6、構(gòu)成一個組合，接入發(fā)射/接收電路的振子使之分時組合輪流工作，從而產(chǎn)生合成超聲波束發(fā)射和接收,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,20,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,21,組合順序掃描工作過程,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,22,,組合順序掃描方式是線陣探頭和凸形探頭均可采用的一種最基本的掃描方式。這種掃描方式的優(yōu)點是，① 實現(xiàn)了電子掃描；② 多元組合發(fā)射可以保證功率，提高靈敏度。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,23,,

7、但是，組合順序掃描方式發(fā)射所獲得的圖像質(zhì)量不高?！　〖僭O(shè)換能器總長為100毫米，振元數(shù)n=64，并設(shè)每次由 m=5 個振元發(fā)射，則一幀圖像總共才有60條掃描線，每厘米寬度僅6線，線間位移量 b 約為1.5毫米?！　∵@樣的聲像圖分辨力和清晰度都不高，圖像質(zhì)量是很差的。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,24,組合間隔掃描—１,設(shè)總振元為n，子振元分兩組：一組為m，一組為m+1。本例子中，m = 5，m+1=6掃描結(jié)果聲束的間距為

8、b/2,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,25,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,26,組合間隔掃描－1 工作過程,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,27,組合間隔掃描—2,進一步提高圖像清晰度，將掃描線密度提高到4倍。本例子中，m = 3，m+1=4掃描結(jié)果聲束的間距為 b/4,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,28,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,29,組合間隔掃描－2 工作過程,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,30,微角掃

9、描,設(shè)有一個N個振元的線陣換能器。將一幅圖像分奇(A)、偶(B)兩場進行掃描。奇(A)場相對于中心線有一微小的偏角+?，可得N條偏角為+? 的掃描線；偶(B) 場相對于中心線有一微小的偏角-? ，可得N條偏角為-? 的掃描線。兩場掃描可得2N條掃描線。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,31,微角掃描（A場）示意圖,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,32,微角掃描（B場）示意圖,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,33,微角掃描示

10、意圖,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,34,,如何產(chǎn)生偏角？設(shè)總振元數(shù) N=64選取8個相鄰的振元，按照一定的時差 ?? 被同一脈沖激勵，根據(jù)惠更斯原理，波束產(chǎn)生偏角?。奇數(shù)場和偶數(shù)場延遲相反。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,35,延遲時間與波束偏角,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,36,微角掃描過程,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,37,,微角掃描的有什么缺點？波束與顯示光柵在空間位置上不一一對應，圖像存在一定的畸變

11、；遠場可能產(chǎn)生波束的交叉，探測深度需要注意。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,38,飛越掃描,問題的提出：當掃描線較多時，成像一幅圖像的時間較長，也就是幀頻會降低，影響實時顯示效果。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,39,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,40,飛越掃描過程,假設(shè)：振元為128個，8個振元組合發(fā)射,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,41,,將振元分成A、B兩個部分；A、B同時開始掃描，由于間隔較遠，波束互相干擾

12、的可能性較?。贿@種方法可以使幀頻提高一倍。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,42,小結(jié),電子線陣掃描是以振元組合方式進行的；采取不同的組合方式可以獲得不同的聲束的間隔，從而改變圖像的質(zhì)量（b，b/2，b/4，…）；電子線陣掃描的核心器件是電子開關(guān)電路。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,43,Electronic Phased Array,（2）電子相控陣扇形掃描原理,如果使發(fā)射的超聲波束，能以某一偏向角呈扇形地進行高速掃描，那

13、么，就可以在一窄小的透射窗口擴大掃描的范圍，而不受胸骨與肋骨的阻礙，這對探查心臟十分有利。利用相控雷達的相控陣掃描原理，就可以實現(xiàn)超聲波束在人體內(nèi)高速扇形掃描。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,44,,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,45,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,46,在激勵脈沖到達超聲換能器各個陣元之前，依次延遲一個固定的很小的時間間隔 ?　　則各陣元上所產(chǎn)生的聲脈沖的傳輸也獲得相應的延遲?！　“l(fā)射波疊加波束方向與法

14、線之間就有一個偏向角 ?。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,47,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,48,,激勵脈沖的延遲時間 ? 值與波束偏向角?之間的關(guān)系,式中：c =1540m/s，為超聲在人體軟組織中傳播的平均速度；b =0.5mm 為相鄰陣元的中心間隔；? 為疊加波束的偏向角。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,49,,問題假設(shè)掃描線為128條，扇形掃描范圍為72º；如果掃描線均勻分布，則對應的延時有多少

15、個？分別是多少？,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,50,3. 聲束的聚焦,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,51,,要提高超聲探測器的靈敏度和分辨力，除了對線陣探頭實施多振元組合發(fā)射之外，還需將探頭發(fā)射的超聲束在一定的深度范圍內(nèi)匯聚收斂，使之增強波束的穿透力和回波強度。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,52,,聲束聚焦通常分為兩類：聲學聚焦振元聲透鏡聚焦平凸形聲透鏡聚焦電子聚焦發(fā)射電子聚焦動態(tài)電子聚焦。,2019年9月,

16、醫(yī)學超聲儀器原理,53,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,54,（1）聲學聚焦,聲透鏡的聲速度為c1人體聲速度為c2,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,55,,聲透鏡中心部位的厚度應為入射到透鏡材料中的超聲波波長?的?/2的整數(shù)倍，以保證最大透射。為了減小超聲波在材料中的傳輸損耗，透鏡應盡可能做得薄些，一般取一個?/2。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,56,（2）電子聚焦,,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,57,,電子聚焦，實

17、質(zhì)是對各振元采用延時激勵，即使每一激勵脈沖，經(jīng)不同的延時后到達各陣元，使得這些陣元發(fā)射的聲場在某個既定的區(qū)域內(nèi)，因相位相同產(chǎn)生相長干涉，而在另一區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生相消干涉，其關(guān)鍵是使各陣元發(fā)射的超聲波相位在焦點處相等（波程相等）會聚在一個區(qū)域，換能器輻射的波陣面等效一個凹面發(fā)射源。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,58,,電子聚焦的焦距長短，取決于被激勵的陣元數(shù)目、激勵脈沖的延遲時間以及換能器的工作頻率和間隔距離等。通常焦距越長，被激勵的陣

18、元越多，延遲時間亦增加。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,59,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,60,假定將要發(fā)射的一組陣元數(shù)n = 8，若從兩端向中心逐步增加延遲時間，則合成波面呈凹形弧面（近似二次曲線凹面），這如同凹面鏡一樣，在焦距處形成聲束聚焦。設(shè)1、2、3號振元距線陣中心距離分別為L1、L2、L3；焦距F=35mm，相鄰兩振元的間距d = 0.5mm，則由4-9圖可得L1 = 3.5d = 3.5×0.5

19、= 1.75(mm)L2 = 2.5d = 2.5×0.5 = 1.25(mm)L3 = 1.5d = 1.5×0.5 = 0.75(mm),2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,61,則第1號振元與第2振元的聲程差（第1號振元與第2號振元聲線長度差）為,同理可得,△S2 = 0.01428mm△S3 = 0.007142mm,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,62,由聲程差可以算出各相差延時量τ0若超聲波在人體組

20、織內(nèi)傳播的平均速度為c=1540m/s，則可求得第1號振元與第2號振元的相差延時量τ1,,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,63,表4-5　發(fā)射振元與相應的激勵脈沖延遲量,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,64,,由于電子聚焦是對各振元采用延時激勵，接收回波時各振元收到的回波本身就存在相應的相位差，在接收回路中要得到同相合成，必須在接收電路上采取與發(fā)射端一樣的延時補償。因此，接收回路中各線上也要設(shè)置和發(fā)射電路一樣的延時量相等的延遲線。

21、,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,65,（3）延遲線,所謂延遲線，顧名思義就是對傳輸信號作延時的部件。根據(jù)傳輸信號的不同，延遲線又可分為模擬延遲線和數(shù)字延遲線。模擬延遲線用于延遲模擬信號，它是由一級或多級電感、電容組成（又稱LC延遲線）；數(shù)字延遲線，由A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)存貯器組成。數(shù)字延遲線成本高，只有在高級成像設(shè)備中才采用。在中檔或普及型B超儀中，發(fā)射和接收延時均采用模擬延遲線。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,66,模擬

22、延遲線,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,67,可變延時電路,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,68,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,69,（4）動態(tài)電子聚焦,為了在整個探測深度的范圍內(nèi)波束都能良好的會聚，則必須使發(fā)射波的焦距可變，這就是所謂的動態(tài)電子聚焦。由于發(fā)射波的焦距是隨發(fā)射激勵脈沖的不同延時而改變改變激勵脈沖的延時，就可調(diào)節(jié)焦距，從而獲得動態(tài)電子聚焦。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,70,,動態(tài)電子聚焦又可分為等速動態(tài)

23、電子聚焦和全深度分段動態(tài)電子聚焦。等聲速電子聚焦的實現(xiàn)方法是：通過計算機控制，以一定的速率改變發(fā)射和接收的延遲時間，使焦點隨發(fā)射波和接收同步移動，使整個探測深度的所有位置，都有良好的橫向分辨力。但由于焦點的移動速度快，延時分級細，延時精度高，故電路設(shè)計帶來更高的要求。目前一種較為簡單實用的方法，是全深度分段動態(tài)電子聚焦，如圖4-12所示。下面就討論這種聚焦方式。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,71,將所要探測的深度劃分成若干段

24、。圖4-12中分四段：近場（N）、中場（M）、遠場1（F1）、遠場2（F2）。這四個焦距擬由聚焦延遲時間關(guān)系和傳播媒介質(zhì)中聲速所確定。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,72,,這種聚焦方式的優(yōu)點是：分段數(shù)少（僅分四段），故延遲線分級數(shù)不多。由于每次發(fā)射只有一個固定焦點，故延遲線的轉(zhuǎn)換速度低，這就不僅放寬對元器件的要求，而且電路實現(xiàn)也較容易。缺點：顯示一行信息需經(jīng)若干次不同焦點的發(fā)射與接收，其成像速度顯然降低，造成圖像閃爍。,2019

25、年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,73,,采用多振元組合發(fā)射實現(xiàn)了電子聚焦和動態(tài)電子聚焦，但多振元組合發(fā)射、接收，又使換能器的有效孔徑增大，盡管這一結(jié)果使近場區(qū)增長，遠場也得到一定程度的改善，然而孔徑增大意味著近場區(qū)的分辨力降低。改進的辦法是，采用動態(tài)電子聚焦和可變孔徑相結(jié)合的方式工作?？勺兛讖绞窃诮邮者^程中實現(xiàn)的，對于近場，為縮小孔徑（提高分辨力），接收用較少的振元；對于遠場，為了擴大孔徑，接收用較多振元工作。這樣既保證了近場，也保證了遠場

26、都有較高的分辨力。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,74,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,75,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,76,（5）發(fā)射聚焦電路,1．SSD-256發(fā)射聚焦電路該電路如圖4-13所示，這僅是SSD-256型B超儀16路發(fā)射聚焦電路中的一路。電路構(gòu)成十分簡單，只要將延遲線的各抽頭與多路開關(guān)的相應輸出端相接，再加上鎖存器和驅(qū)動器就組成了發(fā)射聚焦電路。電路中用兩條延遲線（DL101、10ns/步階×7

27、；DL102、80ns/步階×6）共13級延遲分級。來自ROM的聚焦控制碼為A5 A4 A3 A2 A1 A0 ，高三位A5 A4 A3控制延遲線DL102的延遲大小，低三位碼A2 A1 A0控制DL101，具體工作情況如表4-11所示。,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,77,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,78,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,79,EUB-240發(fā)射聚焦電路,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,80,

28、2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,81,2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,82,4　發(fā)射多路轉(zhuǎn)換開關(guān),4.4.1　SSD-256發(fā)射多路轉(zhuǎn)換開關(guān)4.4.2　EUB-240發(fā)射多路轉(zhuǎn)換開關(guān),2019年9月,醫(yī)學超聲儀器原理,83,5　發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路,聚焦延時電路輸出的延時脈沖是邏輯信號，不能直接用來激勵探頭的振元，而是通過發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生超聲振蕩。發(fā)射脈沖的幅度和寬度是兩個重要指標。幅度大，則超聲功率就強，而且接收靈敏度也就高