超聲波束的聚焦

陣元：組成線陣的電氣切換的基本單元，幾十至幾百個(gè)。相鄰陣元中心距ｄ＜２mm

陣元越多→掃查線數(shù)越多→圖像越好。振元：獨(dú)立振動(dòng)的小晶體。幾個(gè)振元電氣連成一個(gè)陣元，以減小旁瓣。多陣元組合工作：發(fā)射和接收時(shí)，用相鄰的一組陣元同時(shí)工作，工作孔徑相對(duì)較大。第四章

超聲波束的聚焦、發(fā)射與控制

第一節(jié)對(duì)線陣探頭實(shí)施多陣元

組合工作的原因

多陣元組合工作的意義1.減小波束擴(kuò)散角，提高遠(yuǎn)場(chǎng)分辨力?！邔?duì)于圓形換能器，其半擴(kuò)散角θ0＝sin-1(0.61λ/a)＝sin-1(1.22λ/D)∴D↑→θ0↓對(duì)于矩形振元，有相似的結(jié)論。2.延長(zhǎng)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。而近場(chǎng)聲束不擴(kuò)散，故分辨力好?！邔?duì)于圓形換能器，近場(chǎng)距離r0＝ａ2/λ＝D2/4λ∴D↑→r0↑對(duì)于矩形振元，有相似的結(jié)論。當(dāng)然，D↑使近場(chǎng)變粗，這可用可變孔徑技術(shù)來(lái)克服。3．提高發(fā)射功率和接收靈敏度。4．便于實(shí)現(xiàn)電子聚焦（動(dòng)態(tài)聚焦），改善分辨力。5．可增加掃查線，改善像質(zhì)。

對(duì)陣元不同順序的分組，可形成不同的掃查方式。一、組合順序掃描若4個(gè)陣元組合工作，次序?yàn)椋?～4，2～5，3～6，4～7，……第二節(jié)超聲波束的掃描

性能指標(biāo)①掃查線總數(shù)：

N＝n-m+1N—掃查線總數(shù)n—陣元總數(shù)m—每組工作的陣元數(shù)②掃線間距：d’＝dd’—掃線間距d—相鄰陣元中心距二、組合間隔掃描1.d/2間隔掃描可得：N＝2(n-m+1），d’＝d/2掃線總數(shù)是組合順序掃描的2倍，像質(zhì)提高。2.d/4間隔掃描可得：N＝4(n-m+1），d’＝d/4掃線總數(shù)是組合順序掃描的4倍，像質(zhì)進(jìn)一步提高。每次收發(fā)振元分組不一定相同，收發(fā)控制電路相對(duì)復(fù)雜。三、微角掃描如同電視機(jī)的隔行掃描，將一幀圖像分為奇、偶兩場(chǎng)。⒈特點(diǎn)①掃線比普通掃描增加一倍。②圖像有微小位置誤差?！叱曁讲?，掃查聲線不平行，圖像顯示，掃描光柵平行。圖像存在一定的畸變。但因是“微角”，這種誤差很小。⒉波束控制方法切換并采用相控技術(shù)工作時(shí)：奇數(shù)場(chǎng)聲線偏向＋α，偶數(shù)場(chǎng)聲線偏向－α。同時(shí)：施加電子聚焦延時(shí)。波束：線掃＋微偏＋聚焦

超聲聚焦：使超聲束在一定深度內(nèi)會(huì)聚，改善分辨力和靈敏度。分類：①聲學(xué)聚焦，②電子聚焦。一、聲學(xué)聚焦（幾何聚焦，機(jī)械聚焦）1.聲透鏡聚焦利用聲傳播的折射原理進(jìn)行聚焦。C1——透鏡介質(zhì)聲速，C2——被測(cè)介質(zhì)聲速，則：①當(dāng)C1>C2時(shí)，凹形聲透鏡有會(huì)聚作用；②當(dāng)C1<C2時(shí)，凸形聲透鏡有會(huì)聚作用。焦距F與曲率半徑R成正比，與C1/C2成反比。第三節(jié)聲束的聚焦厚度：聲透鏡中心部位厚度取λ/2可有最大透射率；匹配：為防止反射，一般需采用匹配層。材料：通常為環(huán)氧樹脂、丙稀樹脂與其它成分復(fù)合。2.聲反射鏡聚焦用凹面的聲反射鏡，當(dāng)鏡面曲率和聲源離鏡面距離適當(dāng)時(shí)，即具有聚焦作用。利用了聲傳播的反射定律。3.凹面振子聚焦振子做成凹面，焦距F等于其曲率半徑R。效果好，但工藝復(fù)雜。二、電子聚焦（1）原理用一組相鄰陣元組合工作。①發(fā)射時(shí)各陣元的激勵(lì)信號(hào)相位按二次曲線變化，使發(fā)射超聲經(jīng)空間疊加后，合成超聲波束產(chǎn)生會(huì)聚。②接收時(shí)各陣元的接收信號(hào)相位按同樣形式變化，使接收信號(hào)經(jīng)電路疊加后，接收靈敏區(qū)域產(chǎn)生會(huì)聚。改變相位二次曲線變化曲率，可改變會(huì)聚焦距。二次曲線——常為圓弧線（2）電子聚焦原理圖解①無(wú)偏向無(wú)聚焦發(fā)射各陣元發(fā)射信號(hào)無(wú)相位差。疊加聲波最強(qiáng)區(qū)域——同相位波面密集區(qū)域，不偏向，不會(huì)聚。②無(wú)偏向有聚

焦發(fā)射各陣元的激勵(lì)信號(hào)相位按二次曲線變化，疊加超聲最強(qiáng)區(qū)域——同相位波面密集區(qū)域，在焦距內(nèi)逐漸會(huì)聚，在焦距外逐漸擴(kuò)散。不偏向。③無(wú)偏向有聚

焦接收各陣元的接收信號(hào)經(jīng)延遲線，相位按二次曲線變化，使焦點(diǎn)處回波達(dá)到同相位，疊加電路對(duì)之有最大輸出。接收靈敏區(qū)域產(chǎn)生會(huì)聚。不偏向。（3）發(fā)射聚焦和接收聚焦的異同及連接

①相同信號(hào)相位二次曲線變化延遲

②不同發(fā)射聚焦：超聲空間疊加，合成超聲聚焦。接收聚焦：信號(hào)電路疊加，靈敏范圍聚焦。（4）聚焦延遲線計(jì)算公式∵i號(hào)陣元距焦點(diǎn)的聲程(距離)Si：其中：i=1,2,…,ｍ——陣元序號(hào)ｍ——陣元數(shù)Li——i號(hào)陣元距線陣組中心距F——焦距d——相鄰陣元中心距∴i號(hào)陣元所接延遲線的延時(shí)量τi：

其中：c＝1540m/s——聲速123456789⒑FL1S1焦點(diǎn)dLiSi（5）數(shù)值例設(shè)：F＝35mm，d＝0.5mm，m＝8，則可求得：S1＝S8＝35.043723mmτ1＝τ8＝0nsS2＝S7＝35.022314mmτ2＝τ7＝13.9nsS3＝S6＝35.008034mmτ3＝τ6＝23.17nsS4＝S5＝35.000893mmτ4＝τ5＝27.81ns三、延遲線（1）作用：將信號(hào)延遲(輸出相對(duì)于輸入有一定延時(shí))。（2）分類：①模擬延遲線：模擬信號(hào)，L+C構(gòu)成，廉,中低檔。②數(shù)字延遲線：數(shù)字信號(hào)，A/D+RAM，貴，高檔。1.模擬延遲線以分布參數(shù)長(zhǎng)線理論設(shè)計(jì)的集中參數(shù)延遲線。假定電阻小到可以忽略，等效電路如下。有關(guān)參數(shù)關(guān)系：C中電壓產(chǎn)生電場(chǎng)，L中電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。信號(hào)的傳播過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是電磁波在線路中的傳播。有：其中：Vc—傳播速度，ρ—延遲線特性阻抗當(dāng)ρ=RH—與負(fù)載匹配時(shí)，有：td＝L’/Vc其中：td—延遲時(shí)間，L’—延遲線長(zhǎng)度，RH—負(fù)載阻抗2.可變延遲電路（1）作用：延遲量的數(shù)控分級(jí)可變。（2）實(shí)際電路圖中延遲線有7個(gè)抽頭，分別對(duì)輸入信號(hào)有不同的延時(shí)，每?jī)蓚€(gè)相鄰抽頭間的延時(shí)量為10ns。用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選通輸出。A、B、C輸入選通控制碼。選通控制碼與延時(shí)量的關(guān)系如右表。補(bǔ)充：多路轉(zhuǎn)換開關(guān)簡(jiǎn)介①型號(hào)：74HC4051、74HCT4051、CD4051、MC14051等功能同，電壓、速度不同。②功能：8選1，雙向模擬多路開關(guān)。③引腳功能：I/O0-7：輸入/輸出O/I：公共輸出/輸入A,B,C：選通控制碼E/：使能控制Vdd,Vss：電源，接地Vee：信號(hào)零點(diǎn)I/O0I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7VddVssVeeO/IE/ABC16138147153126111510294控制輸入導(dǎo)通開關(guān)E/CBA00000000110010200113010040101501106011171×××－四、動(dòng)態(tài)電子聚焦

在掃查過(guò)程中動(dòng)態(tài)地改變焦點(diǎn)，使整個(gè)探測(cè)深度內(nèi)波束都有良好的會(huì)聚。1.等聲速動(dòng)態(tài)電子聚焦（1）定義以超聲在人體中的平均探測(cè)速度，移動(dòng)波束焦點(diǎn)。（實(shí)際上，只能在接收系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)）。（2）探測(cè)速度VD

因接收時(shí)，超聲波在人體內(nèi)往返一次，故：VD＝c/2＝770m/s＝0.77m/ms＝0.77mm/us即應(yīng)以VD改變延遲線的延時(shí)分布曲率，即焦距。需要用專用計(jì)算機(jī)進(jìn)行，速度快，且精度要求高。在高檔機(jī)中使用。實(shí)際很少采用。2.分段動(dòng)態(tài)電子聚焦（非實(shí)時(shí)）（1）基本原理將探測(cè)的深度劃分成n段。(通常：n＝2～4)。①發(fā)射按近、中、遠(yuǎn)場(chǎng)順序，n個(gè)焦點(diǎn)，發(fā)射n次。②接收每次發(fā)射后接收。但只將本次發(fā)射焦點(diǎn)附近相應(yīng)的回波數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。經(jīng)n次發(fā)射、接收后的數(shù)據(jù)組合，獲得一行所有信息。（2）等效的波束

整個(gè)探測(cè)深度內(nèi)都有較高的分辨力。（3）優(yōu)缺點(diǎn)①優(yōu)點(diǎn)焦點(diǎn)不多，延遲線分級(jí)數(shù)少,延遲線轉(zhuǎn)換速度低,電路易實(shí)現(xiàn)。②缺點(diǎn)一行信息經(jīng)多次發(fā)射、接收，時(shí)間長(zhǎng)，使幀頻低，圖像閃爍。需對(duì)存貯器以“慢入快出”方式寫讀，以穩(wěn)定顯示。

雖然多振元組合發(fā)射實(shí)現(xiàn)了動(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(chǎng)區(qū)增長(zhǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)也得到一定程度的改善，然而孔徑增大意味著近場(chǎng)區(qū)的分辨力降低。改進(jìn)的方法是：采用動(dòng)態(tài)電子聚焦和可變孔徑相結(jié)合的方式工作。可變孔徑是在發(fā)射、接收過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于近場(chǎng)，為縮小孔徑（提高分辨力），發(fā)射、接收用較少的振元；對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)，為擴(kuò)大孔徑，發(fā)射、接收用較多振元工作。這樣保證了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)都有較高的分辨力。五、發(fā)射聚焦電路

1.SSD－256型B超儀發(fā)射聚焦電路SSD－256型B超儀的收發(fā)電路共有16路，此為其中一路。①組成：延遲線、多路開關(guān)、鎖存器、驅(qū)動(dòng)器等。②延遲線分級(jí)DL101：10ns，DL102：80ns。③控制聚焦碼A0－A5④功能多路開關(guān)選通延遲線抽頭，得到不同延時(shí)。⑤控制接通關(guān)系例：某一控制碼為010011，高三位010控制IC6，使延遲線DL102的3抽頭輸出，低三位011控制IC3，使延遲線DL101的4抽頭輸出?？偟难舆t時(shí)間為：80×2＋10×3＝190ns改變控制碼A0－A5，就能改變總的延遲時(shí)間。2.EUB－240型B超儀

發(fā)射聚焦電路（1）硬件組成延遲線：DL1－DL5多路選擇器：IC3－IC7驅(qū)動(dòng)器：IC1,IC2,IC8（2）信號(hào)輸入：DP／脈沖輸出：F0/－F5/脈沖控制碼：FCN0/－FCN2/（3）電路功能F0/－F5/按二次曲線變化延遲?？刂拼a不同，二次曲線曲率不同，焦距不同。（4）控制碼FCN0-2/與脈沖F0-5/延時(shí)的關(guān)系當(dāng)使用不同頻率的探頭時(shí)，動(dòng)態(tài)聚焦的焦點(diǎn)位置不同，因此所需的延遲時(shí)間變化率也不同。共有8種焦點(diǎn)。（5）脈沖F0-5/與陣元的觸發(fā)關(guān)系二次曲線曲率變化可見：①每路脈沖激勵(lì)二個(gè)陣元，以F5/為中心。②焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，被激勵(lì)的陣元越多，即可變孔徑。③每次發(fā)射，各陣元激勵(lì)信號(hào)相位均按二次曲線變化，但曲線曲率不同，使焦距不同?？傻萌缦戮劢剐Ч鹤饔茫簩?duì)聚焦電路輸出的經(jīng)不同延遲的發(fā)射觸發(fā)脈沖（例如F0/－F5/）的轉(zhuǎn)接、分配，以實(shí)現(xiàn)掃查。一、SSD－256發(fā)射多路轉(zhuǎn)換開關(guān)(簡(jiǎn)介）①線陣：共80個(gè)陣元。對(duì)應(yīng)80個(gè)發(fā)射脈沖產(chǎn)生器。②組合：每5個(gè)一組，共分成16組，有16個(gè)脈沖分配器，分配16路經(jīng)不同延時(shí)的發(fā)射觸發(fā)脈沖m1-m16。③工作：在多個(gè)控制碼的控制下，每次激勵(lì)16個(gè)陣元，發(fā)射聚焦且?guī)⑵穆暿行蛲七M(jìn)，形成微角線形掃查。(見P57,圖4-18)第四節(jié)發(fā)射多路轉(zhuǎn)換開關(guān)——脈沖

分配器

二、EUB－240發(fā)射多路開關(guān)

結(jié)構(gòu)與功能（1）電路組成8選1開關(guān)：IC9－IC32驅(qū)動(dòng)管：TR112－TR116（2）信號(hào)輸入：FO/－F5/輸出：P1－P16控制：TQA－TQE（3）電路功能將FO/－F5/對(duì)稱地，選擇接通P1－P16中的12個(gè)?？刂拼a不同，選擇不同。P.58（4）連接特點(diǎn)①FO/－F5/，每個(gè)接4片IC的O/I(圖中Y)。②各片IC的I/O0-7(圖中D1-8)接P1-P16——16個(gè)發(fā)射脈沖發(fā)生器。接法不同，有序。③TQA—TQC接各片IC的A-C。④TQE＝TQD/,TQD接單號(hào)IC的E/(圖中G)。TQD＝0，單號(hào)有效。TQE接雙號(hào)IC的E/