医学超声仪器原理 第5讲 B型超声波束、聚焦发射与控制

2008年9月医学超声仪器原理1第5讲

B型超声波束、聚焦发射与控制Scanning,Focusing&ControllingForUltrasonicBeam医学超声仪器原理2008年9月医学超声仪器原理2振元线性排列扇形扫描2008年9月医学超声仪器原理31.两条扫描线间隔的时间和那些参数有关？2.n

条扫描线完成的时间决定了什么时间？复习问题？2008年9月医学超声仪器原理4CONTENTS线阵探头多元组合发射接收超声波束的扫描声束的聚焦发射多路转换开关12433发射脉冲产生电路352008年9月医学超声仪器原理51.线阵探头多元组合发射接收2008年9月医学超声仪器原理6原因——辐射面积小，对超声扩散角的影响例如：对于圆形辐射器而言，其发散角为其中：

１为半扩散角，

ｄ为振元的辐射面直径，

为媒质的波长。为什么要多振元组合发射？2008年9月医学超声仪器原理72008年9月医学超声仪器原理8对于矩形振元，其声束垂直和水平的扩散角与边长的关系：其中：

、

分别为为垂直方向、水平方向与中心轴线的夹角；

a、b分别为矩形振元的长和宽2008年9月医学超声仪器原理92008年9月医学超声仪器原理10结论：振元的尺寸越小、面积越小，波束的扩散角越大，波束的指向性越差。

这势必影响仪器的横向分辨力，从而导致反射能量的减弱，使灵敏度降低。因此，在现代的超声仪器中常常将多个振元组合应用。2008年9月医学超声仪器原理112008年9月医学超声仪器原理122008年9月医学超声仪器原理13多振元组合发射带来的问题——辐射面积，对超声近场的影响辐射面积加大，超声近场也增大2008年9月医学超声仪器原理142.超声波束的扫描2008年9月医学超声仪器原理15（1）电子线阵的扫描如何进行？电子线阵ElectronicLinearArray由多个压电振元成线阵或弧形排列构成的，发射时在控制信号的作用下，各振元按一定的方式被分组组合激励，产生合成波束发射。2008年9月医学超声仪器原理16问题？电子开关的相关知识14051B多路电子开关14051的原理和应用实现电子扫描的工作过程2008年9月医学超声仪器原理17几种扫描方式对振元不同顺序分组激励，可以形成不同的发射波束扫描。组合顺序扫描组合间隔扫描微角扫描2008年9月医学超声仪器原理18组合顺序扫描2008年9月医学超声仪器原理19电子开关顺序切换方式将ｍ（这里m=4）个振元构成一个组合，接入发射/接收电路的振子使之分时组合轮流工作，从而产生合成超声波束发射和接收2008年9月医学超声仪器原理202008年9月医学超声仪器原理21发射/接收顺序工作振元声束中心波束位移第一次1~4振元2、3中间第二次2~5振元3、4中间b第三次3~6振元4、5中间b第四次4~7振元5、6中间b

第ｎ次(n-4+1)~n(n-2)、(n-1)b组合顺序扫描工作过程2008年9月医学超声仪器原理22组合顺序扫描方式是线阵探头和凸形探头均可采用的一种最基本的扫描方式。这种扫描方式的优点是，①实现了电子扫描；②多元组合发射可以保证功率，提高灵敏度。2008年9月医学超声仪器原理23

但是，组合顺序扫描方式发射所获得的图像质量不高。假设换能器总长为100毫米，振元数n=64，并设每次由m=5个振元发射，则一帧图像总共才有60条扫描线，每厘米宽度仅6线，线间位移量b约为1.5毫米。这样的声像图分辨力和清晰度都不高，图像质量是很差的。2008年9月医学超声仪器原理24组合间隔扫描—１设总振元为n，子振元分两组：一组为m，一组为m+1。本例子中，m=5，m+1=6扫描结果声束的间距为b/22008年9月医学超声仪器原理252008年9月医学超声仪器原理26发/收顺序发射振元接收振元声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中间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中间b/2第五次3~73~7振元5中心b/2

组合间隔扫描－1工作过程2008年9月医学超声仪器原理27组合间隔扫描—2进一步提高图像清晰度，将扫描线密度提高到4倍。本例子中，m=3，m+1=4扫描结果声束的间距为

b/42008年9月医学超声仪器原理282008年9月医学超声仪器原理29发/收顺序发射振元接收振元声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间b/4处b/4第三次1~32~42、3间b/2处b/4第四次1~42~42、3间3b/4处b/4第五次2~42~4振元3中心b/4

组合间隔扫描－2工作过程2008年9月医学超声仪器原理30微角扫描设有一个N个振元的线阵换能器。将一幅图像分奇(A)、偶(B)两场进行扫描。奇(A)场相对于中心线有一微小的偏角+

，可得N条偏角为+

的扫描线；偶(B)场相对于中心线有一微小的偏角-

，可得N条偏角为-

的扫描线。两场扫描可得2N条扫描线。2008年9月医学超声仪器原理31微角扫描（A场）示意图2008年9月医学超声仪器原理32微角扫描（B场）示意图2008年9月医学超声仪器原理33微角扫描示意图2008年9月医学超声仪器原理34如何产生偏角？设总振元数N=64选取8个相邻的振元，按照一定的时差被同一脉冲激励，根据惠更斯原理，波束产生偏角。奇数场和偶数场延迟相反。2008年9月医学超声仪器原理35延迟时间与波束偏角2008年9月医学超声仪器原理36扫描顺序奇数场Ａ偶数场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+

-

微角扫描过程2008年9月医学超声仪器原理37微角扫描的有什么缺点？波束与显示光栅在空间位置上不一一对应，图像存在一定的畸变；远场可能产生波束的交叉，探测深度需要注意。2008年9月医学超声仪器原理38飞越扫描问题的提出：当扫描线较多时，成像一幅图像的时间较长，也就是帧频会降低，影响实时显示效果。2008年9月医学超声仪器原理392008年9月医学超声仪器原理40扫描顺序发射振元A区发射振元B区第1次1~865~72第2次2~966~72第3次3~1067~74

第57次57~64121~128飞越扫描过程假设：振元为128个，8个振元组合发射2008年9月医学超声仪器原理41将振元分成A、B两个部分；A、B同时开始扫描，由于间隔较远，波束互相干扰的可能性较小；这种方法可以使帧频提高一倍。2008年9月医学超声仪器原理42小结电子线阵扫描是以振元组合方式进行的；采取不同的组合方式可以获得不同的声束的间隔，从而改变图像的质量（b，b/2，b/4，…）；电子线阵扫描的核心器件是电子开关电路。2008年9月医学超声仪器原理43

ElectronicPhasedArray（2）电子相控阵扇形扫描原理如果使发射的超声波束，能以某一偏向角呈扇形地进行高速扫描，那么，就可以在一窄小的透射窗口扩大扫描的范围，而不受胸骨与肋骨的阻碍，这对探查心脏十分有利。利用相控雷达的相控阵扫描原理，就可以实现超声波束在人体内高速扇形扫描。2008年9月医学超声仪器原理44如何产生扇形扫描？问题1延迟方案2008年9月医学超声仪器原理452008年9月医学超声仪器原理46在激励脉冲到达超声换能器各个阵元之前，依次延迟一个固定的很小的时间间隔

则各阵元上所产生的声脉冲的传输也获得相应的延迟。发射波叠加波束方向与法线之间就有一个偏向角

。2008年9月医学超声仪器原理472008年9月医学超声仪器原理48激励脉冲的延迟时间

值与波束偏向角

之间的关系式中：c

=1540m/s，为超声在人体软组织中传播的平均速度；b

=0.5mm为相邻阵元的中心间隔；

为叠加波束的偏向角。2008年9月医学超声仪器原理49问题假设扫描线为128条，扇形扫描范围为72º；如果扫描线均匀分布，则对应的延时有多少个？分别是多少？2008年9月医学超声仪器原理503.声束的聚焦2008年9月医学超声仪器原理51要提高超声探测器的灵敏度和分辨力，除了对线阵探头实施多振元组合发射之外，还需将探头发射的超声束在一定的深度范围内汇聚收敛，使之增强波束的穿透力和回波强度。2008年9月医学超声仪器原理52声束聚焦通常分为两类：声学聚焦振元声透镜聚焦平凸形声透镜聚焦电子聚焦发射电子聚焦动态电子聚焦。2008年9月医学超声仪器原理532008年9月医学超声仪器原理54（1）声学聚焦声透镜的声速度为c1人体声速度为c22008年9月医学超声仪器原理55声透镜中心部位的厚度应为入射到透镜材料中的超声波波长

的

/2的整数倍，以保证最大透射。为了减小超声波在材料中的传输损耗，透镜应尽可能做得薄些，一般取一个

/2。2008年9月医学超声仪器原理56（2）电子聚焦

2008年9月医学超声仪器原理57电子聚焦，实质是对各振元采用延时激励，即使每一激励脉冲，经不同的延时后到达各阵元，使得这些阵元发射的声场在某个既定的区域内，因相位相同产生相长干涉，而在另一区域内产生相消干涉，其关键是使各阵元发射的超声波相位在焦点处相等（波程相等）会聚在一个区域，换能器辐射的波阵面等效一个凹面发射源。2008年9月医学超声仪器原理58电子聚焦的焦距长短，取决于被激励的阵元数目、激励脉冲的延迟时间以及换能器的工作频率和间隔距离等。通常焦距越长，被激励的阵元越多，延迟时间亦增加。2008年9月医学超声仪器原理592008年9月医学超声仪器原理60假定将要发射的一组阵元数n=8，若从两端向中心逐步增加延迟时间，则合成波面呈凹形弧面（近似二次曲线凹面），这如同凹面镜一样，在焦距处形成声束聚焦。设1、2、3号振元距线阵中心距离分别为L1、L2、L3；焦距F=35mm，相邻两振元的间距d=0.5mm，则由4-9图可得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月医学超声仪器原理61则第1号振元与第2振元的声程差（第1号振元与第2号振元声线长度差）为同理可得△S2

=

0.01428mm△S3

=0.007142mm2008年9月医学超声仪器原理62由声程差可以算出各相差延时量τ0若超声波在人体组织内传播的平均速度为c=1540m/s，则可求得第1号振元与第2号振元的相差延时量τ12008年9月医学超声仪器原理63发射顺序发射振元激励脉冲延迟量（ns）第一次发射第1号振元和第8号振元0第二次发射第2号振元和第7号振元

1=13.9第三次发射第3号振元和第6号振元

1+2=23.17第四次发射第4号振元和第5号振元

1+2+3=27.81表4-5发射振元与相应的激励脉冲延迟量2008年9月医学超声仪器原理64由于电子聚焦是对各振元采用延时激励，接收回波时各振元收到的回波本身就存在相应的相位差，在接收回路中要得到同相合成，必须在接收电路上采取与发射端一样的延时补偿。因此，接收回路中各线上也要设置和发射电路一样的延时量相等的延迟线。2008年9月医学超声仪器原理65（3）延迟线所谓延迟线，顾名思义就是对传输信号作延时的部件。根据传输信号的不同，延迟线又可分为模拟延迟线和数字延迟线。模拟延迟线用于延迟模拟信号，它是由一级或多级电感、电容组成（又称LC延迟线）；数字延迟线，由A/D转换器和数据存贮器组成。数字延迟线成本高，只有在高级成像设备中才采用。在中档或普及型B超仪中，发射和接收延时均采用模拟延迟线。2008年9月医学超声仪器原理66模拟延迟线2008年9月医学超声仪器原理67可变延时电路2008年9月医学超声仪器原理68迭通控制码接通开关延时量CBA0000号0ns0011号10ns0102号20ns0113号30ns1004号40ns1015号50ns1106号60ns2008年9月医学超声仪器原理69（4）动态电子聚焦为了在整个探测深度的范围内波束都能良好的会聚，则必须使发射波的焦距可变，这就是所谓的动态电子聚焦。由于发射波的焦距是随发射激励脉冲的不同延时而改变改变激励脉冲的延时，就可调节焦距，从而获得动态电子聚焦。2008年9月医学超声仪器原理70动态电子聚焦又可分为等速动态电子聚焦和全深度分段动态电子聚焦。等声速电子聚焦的实现方法是：通过计算机控制，以一定的速率改变发射和接收的延迟时间，使焦点随发射波和接收同步移动，使整个探测深度的所有位置，都有良好的横向分辨力。但由于焦点的移动速度快，延时分级细，延时精度高，故电路设计带来更高的要求。目前一种较为简单实用的方法，是全深度分段动态电子聚焦，如图4-12所示。下面就讨论这种聚焦方式。2008年9月医学超声仪器原理71将所要探测的深度划分成若干段。图4-12中分四段：近场（N）、中场（M）、远场1（F1）、远场2（F2）。这四个焦距拟由聚焦延迟时间关系和传播媒介质中声速所确定。2008年9月医学超声仪器原理72这种聚焦方式的优点是：分段数少（仅分四段），故延迟线分级数不多。由于每次发射只有一个固定焦点，故延迟线的转换速度低，这就不仅放宽对元器件的要求，而且电路实现也较容易。缺点：显示一行信息需经若干次不同焦点的发射与接收，其成像速度显然降低，造成图像闪烁。2008年9月医学超声仪器原理73采用多振元组合发射实现了电子聚焦和动态电子聚焦，但多振元组合发射、接收，又使换能器的有效孔径增大，尽管这一结果使近场区增长，远场也得到一定程度的改善，然而孔径增大意味着近场区的分辨力降低。改进的办法是，采用动态电子聚焦和可变孔径相结合的方式工作。可变孔径是在接收过程中实现的，对于近场，为缩小孔径（提高分辨力），接收用较少的振元；对于远场，为了扩大孔径，接收用较多振元工作。这样既保证了近场，也保证了远场都有较高的分辨力。2008年9月医学超声仪器原理742008年9月医学超声仪器原理752008年9月医学超声仪器原理76（5）发射聚焦电路1．SSD-256发射聚焦电路该电路如图4-13所示，这仅是SSD-256型B超仪16路发射聚焦电路中的一路。电路构成十分简单，只要将延迟线的各抽头与多路开关的相应输出端相接，再加上锁存器和驱动器就组成了发射聚焦电路。电路中用两条延迟线（DL101、10ns/步阶×7；DL102、80ns/步阶×6）共13级延迟分级。来自ROM的聚焦控制码为A5A4A3A2A1A0，高三位A5A4A3控制延迟线DL102的延迟大小，低三位码A2A1A0控制DL101，具体工作情况如表4-11所示。2008年9月医学超声仪器原理772008年9月医学超声仪器原理78DL102DL101DL102接通IC6的开关？DL101接通IC3的开关？A5A4A3A2A1A00000001100100122010010330110