超声波束的聚焦ppt课件

阵元：组成线阵的电气切换的基本单元，几十至几百个。 相邻阵元中心距mm 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 超声波束的聚焦、发射与控制 第一节 对线阵探头实施多阵元 组合工作的原因 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 0sin-1(0.61/a)sin-1(1.22/D) D0 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 r02/D2/4 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。 3提高发射功率和接收灵敏度。 4便于实现电子聚焦（动态聚焦），改善分辨力。 5可增加扫查线，改善像质。 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： 14，25，36，47， 第二节 超声波束的扫描 性能指标 扫查线总数： Nn-m+1 N 扫查线总数 n 阵元总数 m每组工作的阵元数 扫线间距： dd d扫线间距 d相邻阵元中心距 二、组合间隔扫描 1. d/2间隔扫描 可得： N2(n-m+1）， dd/2 扫线总数是组合顺序扫描的2倍，像质提高。 三、微角扫描 如同电视机的隔行扫描，将一帧图像分为奇、偶两场。 特点 扫线比普通扫描增加一倍。 图像有微小位置误差。 超声探查，扫查声线不平行， 图像显示，扫描光栅平行。 图像存在一定的畸变。 但因是“微角”，这种误差很小。 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， 偶数场声线偏向。 同时： 施加电子聚焦延时。 波束： 线扫微偏聚焦 超声聚焦：使超声束在一定深度内会聚，改善分辨力 和灵敏度。分类： 声学聚焦，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。 C1透镜介质声速， C2被测介质声速，则： 当C1C2时，凹形声透镜有会聚作用； 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 声束的聚焦 厚度：声透镜中心部位厚度取/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。 2. 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。 二、电子聚焦 （1）原理 用一组相邻阵元组合工作。 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。 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 （2）电子聚焦原理图解 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。 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。 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。 （3）发射聚焦和接收聚焦的异同及连接 相同 信号相位二次曲 线变化延迟 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。 （4）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,阵元序号 阵元数 Lii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i： 其中：c1540m/s 声速 1 2 3 4 5 6 7 8 9 F L1 S1 焦点 d Li Si （5）数值例 设：F35mm，d0.5mm，m8，则可求得： S1S835.043723mm 180ns S2S735.022314mm 2713.9ns S3S635.008034mm 3623.17ns S4S535.000893mm 4527.81ns 三、延迟线 （1）作用：将信号延迟(输出相对于输入有一定延时)。 （2）分类： 模拟延迟线：模拟信号，L+C构成，廉,中低档。 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。 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，延迟线特性阻抗 当=RH与负载匹配时，有： tdL/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 （1）作用： 延迟量的数控分级可变。 （2）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。 补充：多路转换开关简介 型号： 74HC4051、74HCT4051、 CD4051、MC14051等 功能同，电压、速度不同。 功能： 8选1，双向模拟多路开关。 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/O0 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 I/O5 I/O6 I/O7 Vdd Vss Vee O/I E/ A B C 16 13 8 14 7 15 3 12 6 1 11 5 10 2 9 4 控制输输入导导通 开关 E/CBA 00000 00011 00102 00113 01004 01015 01106 01117 1 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 （1）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）。 （2）探测速度VD 因接收时，超声波在人体内往返一次，故： VDc/2770m/s0.77m/ms0.77mm/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。 2.分段动态电子聚焦（非实时） （1）基本原理 将探测的深度划分成n段。 (通常：n24)。 发射 按近、中、远场顺序，n个焦 点，发射n次。 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。 （2）等效的波束 整个探测深度内都有较高的分辨力。 （3）优缺点 优点 焦点不多，延迟线分级数少,延迟线转换速度低,电路易实现。 缺点 一行信息经多次发射、接收，时间长，使帧频低，图像闪烁。 需对存贮器以“慢入快出”方式写读，以稳定显示。 虽然多振元组合发射实现了动态电子聚焦，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。改进的方法 是：采用动态电子聚焦和可变孔径相结合的方式工作。 可变孔径是在发射、接收过程中实现的，对于近场，为 缩小孔径（提高分辨力），发射、接收用较少的振元； 对于远场，为扩大孔径，发射、接收用较多振元工作。 这样保证了近场和远场都有较高的分辨力。 五、发射聚焦电路 1.SSD256型B超仪发射聚焦电路 SSD256型B超仪的收发电路共有16路，此为其中一路。 组成：延迟线、多路开关、锁存器、驱动器等。 延迟线分级 DL101：10ns， DL102：80ns。 控制 聚焦码A0A5 功能 多路开关选 通延迟线抽头， 得到不同延时。 控制接通关系 例：某一控制码为010 011， 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： 802103190ns 改变控制码A0A5，就能改变总的延迟时间。 2.EUB240型B超仪 发射聚焦电路 （1）硬件组成 延迟线：DL1DL5 多路选择器：IC3IC7 驱动器：IC1,IC2,IC8 （2）信号 输入：DP脉冲 输出：F0/F5/脉冲 控制码：FCN0/FCN2/ （3）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。 （4）控制码FCN0-2/与脉冲F0-5/延时的关系 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。 （5）脉冲F0-5/与阵元的触发关系 二次曲线曲率变化 可见： 每路脉冲激励二个阵元，以F5/为中心。 焦点越远，被激励的阵元越多，即可变孔径。 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： 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、SSD256发射多路转换开关(简介） 线阵：共80个阵元。对应80个发射脉冲产生器。 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。 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) 第四节节 发发射多路转换转换 开关脉冲 分配器 二、EUB240发射多路开关 结构与功能 （1）电路组成 8选1开关：IC9IC32 驱动管：TR112TR116 （2）信号 输入：FO/F5/ 输出：P1P16 控制：TQATQE （3）电路功能 将FO/F5/对称地，选择 接通P1P16中的12个。 控制码不同，选择不同。 P.58 （4）连接特点 FO/F5/，每个接4片IC的O/I(图中Y)。 各片IC的I/O0-7 (图中D1-8 )接P1-P1616个发射脉 冲发生器。接法不同，有序。 TQATQC接各片IC的A-C。 TQETQD/, TQD接单号IC的E/(图中G)。TQD0，单号有效。 TQE接双号IC的E/(图中G)。TQE0，双号有效。 （5）几点说明 因12个阵元对称触发，故仅需6个信号(F0/F5/)。 因对称触发，故不存在偏向。 （6）具体分析例 当TQETQA10 000时： 双号IC无效，单号IC有效。 多路开关I/O0(D1)开通。 F0P1，P12； F1P2，P11； F5P6，P7。 当TQETQA10 001时： 双号IC无效，单号IC有效。 多路开关I/O1(D2)开通。 F0P2，P13； F1P3，P12； F5P7，P8。 （7）控制码与F0F5的分配输出关系 注：HP1HP16P1P6接16个发射脉冲发生器 作用：由触发脉冲产生对阵元的发射激励脉冲。 要求：波形最好是单个单极性脉冲。 脉幅决定输出功率（与材料有关），约100V。 EUB240：125V； SSD256：120V。 脉宽决定轴向分辨力（与工作频率有关）。 第五节 发射脉冲产生电路 120v左右 0v 发射激励脉冲 5v 0v 触发脉冲 (Fi /) 一、EUB240型B超发射脉冲产生电路 组成及作用 IC33：驱动门(与非门)倒相、电平提升。 TR1： 开关场效应管工作状态控制。 C17： 储能电容储备发射能量。 D1、D17：隔离二极管接收时与接收电路隔离。 L：峰化电感减小C0引起的振荡，使脉冲变窄。 T：阵元换能。 C0：阵元的静态分布电容 工作过程 触发脉冲未到前电容C17充电 Fi“1”, Vg 0V, TR1截止，E R1,C17,R221 C17充电 触发脉冲到来时电容C17放电 Fi“0”, Vg12V, TR1导通， C17对T放电，与T谐振产生振荡： T两端振荡电压，因逆向压电效应使T产生超声输出。 Fi 充电 放电 振荡 触发脉冲后沿结束后 衰减振荡 并联L，加速C0 放电。但L与C0构成 振荡回路激起后沿 的衰减振荡。 各点波形见图。 二、SSD256型发射脉冲产生电路 电路构成 -15V 发射门控电路 脉冲发射电路 接收门控电路 接收通道电子开关 工作过程 （1）发射 TX GATE“1”， TR2、TR1截止， 电源120V R3，R2 C1充电 TX GATE“0”， TR2、TR1导通， D1导通，C1对T放电，产生振荡，发射超声波。 D2，D3也可导通，但D4截止，故接收关闭。 （2）接收 RX GATE“1”，TR3截止，VA-15V,使D4截止。 RX GATE“0”，TR3导通，VA5V, D2，D3，D4导通，接收通道开通。 -15V 放电振 荡 充电 （1）二极管开关 用途：脉冲发生器与阵元之间的转接。 意义：安装在探头中，减少主机与探头之间的连线。 （2）二极管开关控制电路 用途：对二极管开关的控制。安装在主机中。 一、二极管开关电路 （1）组成 D：开关二极管 C：隔直电容 R：二极管限流电阻 L：峰化电感 T：振元 D与T一一对应， 第六节 二极管开关及其控制电路 （2）连接 F输入，接发射脉冲产生电路。 H输出，接接收放大电路。 K输入，接二极管开关控制电路。（见下图) （3）控制 K-150V时，D截止(因发射脉冲-125V)。阵元不通。 K+8V时，D导通(但发射脉冲+8V)。阵元可通。 （4）连接方式例 80个阵元与F、H、K的连接。 （非EUB-240型B超用） F1F15(H1-H15)，15根；K1K16，16根。共31根，连线减少。 按表411、表412构成的二极管开关阵列图 F1(H1) F3 F2(H2 ) 二、二极管开关控制电路 （1）电路组成 IC48：ROM； IC51-IC53：3-8译码器； IC54-IC63：与非门； 虚框中：电平转换电路。 （2）输入输出 ROM地址：接CPU数据总线。 CNT1-CNT19： 接二极管开关的控制端K。 1ROM 存储二极管开关控制程序， 根据扫描方式而确定其编码。 由CPU根据不同时间写入控制 字作为读取地址。 2.译码电路 型号：74HC138， 引脚功能 G1、G2/使能， A、B、C译码输入， Y0/Y7/输出。（真值表如下） 工作关系 三极管作倒相器，IC51, IC52, IC53 不会同时有效，仅一路输出，控制多个 与非门有效，使多个阵元工作。 ROM读出字与CNT1-CNT19的关系 （由此可推出：IC51-IC53IC54-IC63之间的连接关系） 3.电平转换电路 (1)A=“0” (0.3V) (2) T1截止，T2无基流截止，T3无通路截止，T5反偏截 止。 T4基极被-150V拉低，使射极-150V+0.7V。 故CNT1-150V，使D截止。 (2)A=“1” (3.5V) T1导通，T2导通，T3导通。 T5基极=8-0.32=7.4V，T5导通，T4反偏截止。 故CNT18V，使D导通。 第七节 线阵扫查切换