超声波束的聚焦

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

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。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：1～4，2～5，3～6，4～7，……第二节超声波束的扫描

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，像质提高。2.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，像质进一步提高。每次收发振元分组不一定相同，收发控制电路相对复杂。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。⒈特点①扫线比普通扫描增加一倍。②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。⒉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

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：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。C1——透镜介质声速，C2——被测介质声速，则：①当C1>C2时，凹形声透镜有会聚作用；②当C1<C2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。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。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（2）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。②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。③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

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。（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,…,ｍ——阵元序号ｍ——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123456789⒑FL1S1焦点dLiSi（5）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＝27.81ns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：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。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（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×××－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：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。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：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。（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①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。②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.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。⑤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。2.EUB－240型B超仪

发射聚焦电路（1）硬件组成延迟线：DL1－DL5多路选择器：IC3－IC7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：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：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)第四节发射多路转换开关——脉冲

分配器

二、EUB－240发射多路开关

结构与功能（1）电路组成8选1开关：IC9－IC32驱动管：TR112－TR116（2）信号输入：FO/－F5/输出：P1－P16控制：TQA－TQE（3）电路功能将FO/－F5/对称地，选择接通P1－P16中的12个。控制码不同，选择不同。P.58（4）连接特点①FO/－F5/，每个接4片IC的O/I(图中Y)。②各片IC的I/O0-7(图中D1-8)接P1-P16——16个发射脉冲发生器。接法不同，有序。③TQA—TQC接各片IC的A-C。④TQE＝TQD/,TQD接单号IC的E/(图中G)。TQD＝0，单号有效。TQE接双号IC的E/