医学超声仪器 第四章

2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制1阵元：组成线阵的电器切换的基本单元，几十至几百个。相邻阵元中心距ｄ＜２mm阵元越多→扫查线数越多→图像越好。振元：独立振动的小晶体。几个振元电气连成一个阵元，以减小旁瓣。多阵元组合工作：发射和接收时，用相邻的一组阵元同时工作，工作孔径相对较大。第四章第四章超声波束的聚焦、发射与控制超声波束的聚焦、发射与控制第一节第一节对线阵探头实施多阵元对线阵探头实施多阵元组合工作的原因组合工作的原因2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制2多阵元组合工作的意义：1.减小波束扩散角，提高远场分辨力。∵对于圆形换能器，其半扩散角θ0＝sin-1(0.61λ/a)＝sin-1(1.22λ/D)∴D↑→θ0↓对于矩形振元，有相似的结论。2.延长近场区长度。而近场声束不扩散，故分辨力好。∵对于圆形换能器，近场距离r0＝ａ2/λ＝D2/4λ∴D↑→r0↑对于矩形振元，有相似的结论。当然，D↑使近场变粗，这可用可变孔径技术来克服。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制33．提高发射功率和接收灵敏度。4．便于实现电子聚焦(以致动态聚焦)，改善分辨力。5．可增加扫查线，改善象质。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制4对阵元不同顺序的分组，可形成不同的扫查方式。一、组合顺序扫描若4个阵元组合工作，次序为：1～4，2～5，3～6，4～7，……第二节第二节超声波束的扫描超声波束的扫描2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制5性能指标：①扫查线总数：N＝n-m+1N—扫查线总数n—阵元总数m—每组工作的阵元数②扫线间距：d’＝dd’—扫线间距d—相邻阵元中心距2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制6二、组合间隔扫描1.d/2间隔扫描可得：N＝2(n-m+1），d’＝d/2扫线总数是组合顺序扫描的2倍，象质提高。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制72011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制82.d/4间隔扫描可得：N＝4(n-m+1），d’＝d/4扫线总数是组合顺序扫描的4倍，象质进一步提高。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制9三、微角扫描如同电视机的隔行扫描，将一帧图象分为奇、偶两场。⒈特点：①扫线比普通扫描增加一倍。②图象有微小位置误差。∵超声探查，扫查声线不平行，图象显示，扫描光栅平行。但因是“微角”，这种误差很小。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制10⒉波束控制方法切换并采用相控技术工作时：奇数场声线偏向＋α，偶数场声线偏向－α。同时：施加电子聚焦延时。波束：线扫＋微偏＋聚焦2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制11超声聚焦：使超声束在一定深度内会聚，改善分辨力。分类：①声学聚焦，②电子聚焦。一、声学聚焦（几何聚焦，机械聚焦）1.声透镜聚焦利用声传播的折射原理进行聚焦。若：C1——透镜介质声速，C2——被测介质声速，则：①当C1C2时，凹形声透镜有会聚作用；②当C1C2时，凸形声透镜有会聚作用。焦距F与曲率半径R成正比，与C1/C2成反比。第三节第三节声束的聚焦声束的聚焦2211sinsinccθθ=2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制12示意图如下：厚度：声透镜中心部位厚度取λ/2可有最大透射率；匹配：为防止反射，一般需采用匹配层。材料：通常为环氧树脂、丙稀树脂与其它成分复合。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制132.声反射镜聚焦用凹面的声反射镜，当镜面曲率和声源离镜面距离适当时，即具有聚焦作用。利用了声传播的反射定律。3.凹面振子聚焦振子做成凹面，焦距F等于其曲率半径R。效果好，但工艺复杂。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制14二、电子聚焦⑴原理：用一组相邻阵元组合工作：①发射时：各阵元的激励信号相位按二次曲线变化，使发射超声经空间叠加后，合成超声波束产生会聚。②接收时：各阵元的接收信号相位按同样形式变化，使接收信号经电路叠加后，接收灵敏区域产生会聚。改变相位二次曲线变化曲率，可改变会聚焦距。二次曲线——常为圆弧线2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制15⑵电子聚焦原理图解：①无偏向无聚焦发射：各阵元发射信号无相位差。叠加声波最强区域——同相位波面密集区域，不偏向，不会聚。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制16②无偏向有聚焦发射：各阵元的激励信号相位按二次曲线变化，叠加超声最强区域——同相位波面密集区域，在焦距内逐渐会聚，在焦距外逐渐扩散。不偏向。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制17③无偏向有聚焦接收：各阵元的接收信号经延迟线，相位按二次曲线变化，使焦点处回波达到同相位，叠加电路对之有最大输出。接收灵敏区域产生会聚。不偏向。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制18⑶发射聚焦和接收聚焦的异同及连接：①相同：信号相位二次曲线变化延迟②不同：发射聚焦：超声空间叠加，合成超声聚焦。接收聚焦：信号电路叠加，灵敏范围聚焦。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制19⑷聚焦延迟线计算公式：∵i号阵元距焦点的声程(距离)Si：其中：i=1,2,…,ｍ——阵元序号ｍ——线阵工作组的阵元数Li——i号阵元距线阵组中心距F——焦距d——相邻阵元中心距∴i号阵元所接延迟线的延时量τi：其中：c＝1540m/s——声速,22iiLFS+=dimLi−+=21cLFLFcSSiii222121+−+=−=τ123456789⒑FL1S1焦点dLiSi2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制20⑸数值例：设：F＝35mm，d＝0.5mm，m＝8，则可求得：S1＝S8＝35.043723mmτ1＝τ8＝0nsS2＝S7＝35.022314mmτ2＝τ7＝13.9nsS3＝S6＝35.008034mmτ3＝τ6＝23.17nsS4＝S5＝35.000893mmτ4＝τ5＝27.81ns2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制21三、延迟线⑴作用：将信号延迟(输出相对于输入有一定延时)。⑵分类：①模拟延迟线：模拟信号，L+C构成，廉,中低档。②数字延迟线：数字信号，A/D+RAM，贵，高档。1.模拟延迟线以分布参数长线理论设计的集中参数延迟线。假定电阻小到可以忽略，等效电路如下。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制22有关参数关系：C中电压产生电场，L中电流产生磁场。信号的传播过程，实质上是电磁波在线路中的传播。有：其中：Vc—传播速度，ρ—延迟线特性阻抗当ρ=RH—与负载匹配时，有：td＝L’/Vc其中：td—延迟时间，L’—延迟线长度，RH—负载阻抗2.可变延迟电路⑴作用：延迟量的数控分级可变。111CLVc=11CL=ρ2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制23⑵实际电路：图中延迟线有7个抽头，分别对输入信号有不同的延时，每两个相邻抽头间的延时量为10ns。用多路转换开关选通输出。A、B、C输入选通控制码。选通控制码与延时量的关系如右表。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制24补充：多路转换开关简介①型号：74HC4051、74HCT4051、CD4051、MC14051等功能同，电压、速度不同。②功能：8选1，双向模拟多路开关。③引脚功能：I/O0-7：输入/输出O/I：公共输出/输入A,B,C：选通控制码E/：使能控制Vdd,Vss：电源，接地Vee：信号零点I/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7VddVssVeeO/IE/ABC16138147153126111510294控制输入导通开关E/CBA00000000110010200113010040101501106011171×××－2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制25四、动态电子聚焦在扫查过程中动态地改变焦点，使整个探测深度内波束都有良好的会聚。1.等声速动态电子聚焦⑴定义：以超声在人体中的平均探测速度，移动波束焦点。（实际上，只能在接收系统中实现）。⑵探测速度VD：因接收时，超声波在人体内往返一次，故：VD＝c/2＝770m/s＝0.77m/ms＝0.77mm/us即应以VD改变延迟线的延时分布曲率，即焦距。需要用专用计算机进行，速度快，且精度要求高。在高档机中使用。实际很少采用。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制262.分段动态电子聚焦（非实时）⑴基本原理：将探测的深度划分成n段。(通常：n＝2～4)。①发射：按近、中、远场顺序，n个焦点，发射n次。②接收：每次发射后接收。但只将本次发射焦点附近相应的回波数据写入存储器。经n次发射、接收后的数据组合，获得一行所有信息。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制27⑵等效的波束整个探测深度内都有较高的分辨力。⑶优缺点①优点：焦点不多，延时变化少,速度慢,电路易实现。②缺点：一行信息经多次发射、接收，时间长，使帧频低。需对存贮器以“慢入快出”方式写读，以稳定显示。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制28五、发射聚焦电路1.SSD－256型B超仪发射聚焦电路SSD－256型B超仪的收发电路共有16路，此为其中一路。①组成：延迟线、多路开关、锁存器、驱动器等。②延迟线分级：DL101：10ns，DL102：80ns。③控制：聚焦码A0－A5④功能：多路开关选通延迟线抽头，得到不同延时。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制29⑤控制接通关系例：某一控制码为010011，高三位010控制IC6，使延迟线DL102的3抽头输出，低三位011控制IC3，使延迟线DL101的4抽头输出。总的延迟时间为：80×2＋10×3＝190ns改变控制码A0－A5，就能改变总的延迟时间。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制302.EUB－240型B超仪发射聚焦电路⑴硬件组成：延迟线：DL1－DL5多路选择器：IC3－IC7驱动器：IC1,IC2,IC8⑵信号：输入：DP／脉冲输出：F0/－F5/脉冲控制码：FCN0/－FCN2/⑶电路功能：F0/－F5/按二次曲线变化延迟。控制码不同，二次曲线曲率不同，焦距不同。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制31⑷控制码FCN0-2/与脉冲F0-5/的延时关系当使用不同频率的探头时，动态聚焦的焦点位置不同，因此所需的延迟时间变化率也不同。共有8种焦点。2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制32⑸脉冲F0-5/与阵元的触发关系0100200300400123456789101112阵元延时量近场N中场M远场F1远场F2二次曲线曲率变化2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制33可见：①每路脉冲激励二个阵元，以F5/为中心。②焦点越远，被激励的阵元越多，即可变孔径。③每次发射，各阵元激励信号相位均按二次曲线变化，但曲线曲率不同，使焦距不同。可得如下聚焦效果：2011年3月30日星期三第四章超声波束的聚焦、发射与控制34作用：对聚焦电路输出的经不同延迟的发射触发脉冲（例如F0/－F5/）的转接、分配，以实现扫查。一、SSD－256发射多路转换开关(简介）①线阵：共80个阵元。对应80个发射脉冲产生器。②组合：每5个一组，共分成16组，有16个脉冲分配器，分配16路经不同延时的发射触发脉冲m1-m16。③工作：在多个控制码的控制下，每次激励16个阵元，发射聚焦且带微偏的声束，有序推进，形成微角线形扫查。(见P57,图4-18)第四节第四节发射多路转换开关发射多路转换开关————脉冲分配器脉冲分配器2