醫(yī)學(xué)超聲儀器原理 第5講 B型超聲波束、聚焦發(fā)射與控制

2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理1第5講

B型超聲波束、聚焦發(fā)射與控制Scanning,Focusing&ControllingForUltrasonicBeam醫(yī)學(xué)超聲儀器原理2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理2振元線性排列扇形掃描2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理31.兩條掃描線間隔的時(shí)間和那些參數(shù)有關(guān)？2.n

條掃描線完成的時(shí)間決定了什么時(shí)間？復(fù)習(xí)問題？2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理4CONTENTS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)12433發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路352008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理51.線陣探頭多元組合發(fā)射接收2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理6原因——輻射面積小，對超聲擴(kuò)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(kuò)散角，

ｄ為振元的輻射面直徑，

為媒質(zhì)的波長。為什么要多振元組合發(fā)射？2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理72008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理8對于矩形振元，其聲束垂直和水平的擴(kuò)散角與邊長的關(guān)系：其中：

、

分別為為垂直方向、水平方向與中心軸線的夾角；

a、b分別為矩形振元的長和寬2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理92008年9月醫(yī)學(xué)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(kuò)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(dǎo)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(gè)振元組合應(yīng)用。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理112008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理122008年9月醫(yī)學(xué)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2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理142.超聲波束的掃描2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理15（1）電子線陣的掃描如何進(jìn)行？電子線陣ElectronicLinearArray由多個(gè)壓電振元成線陣或弧形排列構(gòu)成的，發(fā)射時(shí)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(lì)，產(chǎn)生合成波束發(fā)射。2008年9月醫(yī)學(xué)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(yīng)用實(shí)現(xiàn)電子掃描的工作過程2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理17幾種掃描方式對振元不同順序分組激勵(lì)，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2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理18組合順序掃描2008年9月醫(yī)學(xué)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(gè)振元構(gòu)成一個(gè)組合，接入發(fā)射/接收電路的振子使之分時(shí)組合輪流工作，從而產(chǎn)生合成超聲波束發(fā)射和接收2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理202008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理21發(fā)射/接收順序工作振元聲束中心波束位移第一次1~4振元2、3中間第二次2~5振元3、4中間b第三次3~6振元4、5中間b第四次4~7振元5、6中間b

第ｎ次(n-4+1)~n(n-2)、(n-1)b組合順序掃描工作過程2008年9月醫(yī)學(xué)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(diǎn)是，①實(shí)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。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理23

但是，組合順序掃描方式發(fā)射所獲得的圖像質(zhì)量不高。假設(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(gè)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。這樣的聲像圖分辨力和清晰度都不高，圖像質(zhì)量是很差的。2008年9月醫(yī)學(xué)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b/22008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理252008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理26發(fā)/收順序發(fā)射振元接收振元聲束中心波束位移第一次1~51~5振元3中心第二次1~61~6振元3、4中間b/2第三次2~62~6振元4中心b/2第四次2~72~7振元4、5中間b/2第五次3~73~7振元5中心b/2

組合間隔掃描－1工作過程2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理27組合間隔掃描—2進(jìn)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/42008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理282008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理29發(fā)/收順序發(fā)射振元接收振元聲束中心波束位移第一次1~31~3振元2中心第二次1~31~42、3間b/4處b/4第三次1~32~42、3間b/2處b/4第四次1~42~42、3間3b/4處b/4第五次2~42~4振元3中心b/4

組合間隔掃描－2工作過程2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理30微角掃描設(shè)有一個(gè)N個(gè)振元的線陣換能器。將一幅圖像分奇(A)、偶(B)兩場進(jìn)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。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理31微角掃描（A場）示意圖2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理32微角掃描（B場）示意圖2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理33微角掃描示意圖2008年9月醫(yī)學(xué)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(gè)相鄰的振元，按照一定的時(shí)差被同一脈沖激勵(lì)，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。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理35延遲時(shí)間與波束偏角2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理36掃描順序奇數(shù)場Ａ偶數(shù)場Ｂ第1次振元1～8振元1～8第2次振元2～9振元2～9第3次振元3～10振元3～10

第57次振元57～64振元57～64波束偏角+

-

微角掃描過程2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理37微角掃描的有什么缺點(diǎn)？波束與顯示光柵在空間位置上不一一對應(yīng)，圖像存在一定的畸變；遠(yuǎn)場可能產(chǎn)生波束的交叉，探測深度需要注意。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理38飛越掃描問題的提出：當(dāng)掃描線較多時(shí)，成像一幅圖像的時(shí)間較長，也就是幀頻會(huì)降低，影響實(shí)時(shí)顯示效果。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理392008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理40掃描順序發(fā)射振元A區(qū)發(fā)射振元B區(qū)第1次1~865~72第2次2~966~72第3次3~1067~74

第57次57~64121~128飛越掃描過程假設(shè)：振元為128個(gè)，8個(gè)振元組合發(fā)射2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理41將振元分成A、B兩個(gè)部分；A、B同時(shí)開始掃描，由于間隔較遠(yuǎn)，波束互相干擾的可能性較??；這種方法可以使幀頻提高一倍。2008年9月醫(yī)學(xué)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(jìn)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。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理43

ElectronicPhasedArray（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(jìn)行高速掃描，那么，就可以在一窄小的透射窗口擴(kuò)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(dá)的相控陣掃描原理，就可以實(shí)現(xiàn)超聲波束在人體內(nèi)高速扇形掃描。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理44如何產(chǎn)生扇形掃描？問題1延遲方案2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理452008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理46在激勵(lì)脈沖到達(dá)超聲換能器各個(gè)陣元之前，依次延遲一個(gè)固定的很小的時(shí)間間隔

則各陣元上所產(chǎn)生的聲脈沖的傳輸也獲得相應(yīng)的延遲。發(fā)射波疊加波束方向與法線之間就有一個(gè)偏向角

。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理472008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理48激勵(lì)脈沖的延遲時(shí)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。2008年9月醫(yī)學(xué)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(yīng)的延時(shí)有多少個(gè)？分別是多少？2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理503.聲束的聚焦2008年9月醫(yī)學(xué)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(shí)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(qiáng)波束的穿透力和回波強(qiáng)度。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理52聲束聚焦通常分為兩類：聲學(xué)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(dòng)態(tài)電子聚焦。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理532008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理54（1）聲學(xué)聚焦聲透鏡的聲速度為c1人體聲速度為c22008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理55聲透鏡中心部位的厚度應(yīng)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(yīng)盡可能做得薄些，一般取一個(gè)

/2。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理56（2）電子聚焦

2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理57電子聚焦，實(shí)質(zhì)是對各振元采用延時(shí)激勵(lì)，即使每一激勵(lì)脈沖，經(jīng)不同的延時(shí)后到達(dá)各陣元，使得這些陣元發(fā)射的聲場在某個(gè)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(diǎn)處相等（波程相等）會(huì)聚在一個(gè)區(qū)域，換能器輻射的波陣面等效一個(gè)凹面發(fā)射源。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理58電子聚焦的焦距長短，取決于被激勵(lì)的陣元數(shù)目、激勵(lì)脈沖的延遲時(shí)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(lì)的陣元越多，延遲時(shí)間亦增加。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理592008年9月醫(yī)學(xué)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(shí)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=1.75(mm)L2=2.5d=2.5×0.5=1.25(mm)L3=1.5d=1.5×0.5=0.75(mm)2008年9月醫(yī)學(xué)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

=0.007142mm2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理62由聲程差可以算出各相差延時(shí)量τ0若超聲波在人體組織內(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(shí)量τ12008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理63發(fā)射順序發(fā)射振元激勵(lì)脈沖延遲量（ns）第一次發(fā)射第1號振元和第8號振元0第二次發(fā)射第2號振元和第7號振元

1=13.9第三次發(fā)射第3號振元和第6號振元

1+2=23.17第四次發(fā)射第4號振元和第5號振元

1+2+3=27.81表4-5發(fā)射振元與相應(yīng)的激勵(lì)脈沖延遲量2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理64由于電子聚焦是對各振元采用延時(shí)激勵(lì)，接收回波時(shí)各振元收到的回波本身就存在相應(yīng)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(shí)補(bǔ)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(shí)量相等的延遲線。2008年9月醫(yī)學(xué)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(shí)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(shí)均采用模擬延遲線。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理66模擬延遲線2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理67可變延時(shí)電路2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理68迭通控制碼接通開關(guān)延時(shí)量CBA0000號0ns0011號10ns0102號20ns0113號30ns1004號40ns1015號50ns1106號60ns2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理69（4）動(dòng)態(tài)電子聚焦為了在整個(gè)探測深度的范圍內(nèi)波束都能良好的會(huì)聚，則必須使發(fā)射波的焦距可變，這就是所謂的動(dòng)態(tài)電子聚焦。由于發(fā)射波的焦距是隨發(fā)射激勵(lì)脈沖的不同延時(shí)而改變改變激勵(lì)脈沖的延時(shí)，就可調(diào)節(jié)焦距，從而獲得動(dòng)態(tài)電子聚焦。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理70動(dòng)態(tài)電子聚焦又可分為等速動(dòng)態(tài)電子聚焦和全深度分段動(dòng)態(tài)電子聚焦。等聲速電子聚焦的實(shí)現(xiàn)方法是：通過計(jì)算機(jī)控制，以一定的速率改變發(fā)射和接收的延遲時(shí)間，使焦點(diǎn)隨發(fā)射波和接收同步移動(dòng)，使整個(gè)探測深度的所有位置，都有良好的橫向分辨力。但由于焦點(diǎn)的移動(dòng)速度快，延時(shí)分級細(xì)，延時(shí)精度高，故電路設(shè)計(jì)帶來更高的要求。目前一種較為簡單實(shí)用的方法，是全深度分段動(dòng)態(tài)電子聚焦，如圖4-12所示。下面就討論這種聚焦方式。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理71將所要探測的深度劃分成若干段。圖4-12中分四段：近場（N）、中場（M）、遠(yuǎn)場1（F1）、遠(yuǎn)場2（F2）。這四個(gè)焦距擬由聚焦延遲時(shí)間關(guān)系和傳播媒介質(zhì)中聲速所確定。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理72這種聚焦方式的優(yōu)點(diǎn)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(gè)固定焦點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)也較容易。缺點(diǎn)：顯示一行信息需經(jīng)若干次不同焦點(diǎn)的發(fā)射與接收，其成像速度顯然降低，造成圖像閃爍。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理73采用多振元組合發(fā)射實(shí)現(xiàn)了電子聚焦和動(dòng)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(yuǎn)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(jìn)的辦法是，采用動(dòng)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(shí)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(yuǎn)場，為了擴(kuò)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(yuǎn)場都有較高的分辨力。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理742008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理752008年9月醫(yī)學(xué)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(yīng)輸出端相接，再加上鎖存器和驅(qū)動(dòng)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；DL102、80ns/步階×6）共13級延遲分級。來自ROM的聚焦控制碼為A5A4A3A2A1A0，高三位A5A4A3控制延遲線DL102的延遲大小，低三位碼A2A1A0控制DL101，具體工作情況如表4-11所示。2008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理772008年9月醫(yī)學(xué)超聲儀器原理78DL102DL101DL102接通IC6的開關(guān)？DL101接通IC3的開關(guān)？A5A4A3A2A1A00000001100100122010010330110