医学超声基础之a-声束聚焦及相控技术V4

生物医学超声基础

—声束聚焦及相控技术2023年8月主讲人：牛金海目录Contents1声束聚焦及声场分布2聚焦技术的应用3超声相控技术4相控技术在B超中的波束成形应用5思考题1、声束聚焦及聚焦声场分布

聚焦技术：将能量集聚的技术。我们常见的就是利用凸透镜进行光学聚焦。1、声束聚焦及聚焦声场分布

声束聚焦在医学超声中应用很广。

在诊断超声领域，聚焦使焦区的声束变窄，能提高横向分辨力，从而提高超声诊断的有效性。

治疗超声领域，通过聚焦汇集超声能量，可杀死焦区的病变组织或者击碎焦区的结石等。1、声束聚焦及聚焦声场分布

聚焦换能器种类声透镜凹形压电材料声反射镜电子聚焦凹型多元阵聚焦1、声束聚焦及聚焦声场分布

1.1声透镜声透镜通常用聚乙烯和合成树脂、铝等材料制作而成，声波在其中的传播速度要比在人体中的传播速度为快，故声透镜是凹透镜。1、声束聚焦及聚焦声场分布

凹透镜聚焦的原理图

轴线上焦点处横截面上声强分布1、声束聚焦及聚焦声场分布

如图所示，经过透镜聚焦的声场，其焦点并非不占空间的几何点，焦点区域是近似为一“枣核”的椭球体区域，焦点区域称为焦斑，其横向直径近似为式：

其中焦斑的位置即焦距f的表达式为式：其中：D为换能器的口径，λ为波长，C1第一种介质的声速，C2是第二种介质的声速，r是聚焦凹透镜球面的曲率半径。由上式可见换能器口径D越大，焦斑尺寸d越小；工作频率越高，焦斑尺寸d也越小。再次说明，采用较高的工作频率有利于横向分辨能力的提高。由上式确定的焦斑直径d是整个系统横向分辨率的极限值。1、声束聚焦及聚焦声场分布

1.2凹形压电材料将压电材料制成凹形，也具有聚焦作用。1、声束聚焦及聚焦声场分布

（1）r0为聚焦系统的横向聚焦尺寸（声强度下降到最大值的一半时的横向距离）：r0=0.257λf/a

；（2）Lf为聚焦系统的轴向聚焦尺寸：Lf=1.8λ(f/a)2

；

其中，λ为声波波长，a为聚焦系统孔径的一半，f为系统焦距。1、声束聚焦及聚焦声场分布

Soundfieldofafocusedultrasoundtransducer,f=4MHz,D=10mm(aperture),R=30mm(curvatureradius),water1、声束聚焦及聚焦声场分布

1.3声反射镜如下图所示的平行声束经楔形声反射镜反射到抛物面声透镜，然后经抛物面聚焦在它的焦点。

图抛物面直接反射聚焦图经楔形声反射镜加抛物面反射聚焦1、声束聚焦及聚焦声场分布

1.4凹型多元阵聚焦

目录Contents1声束聚焦及声场分布2聚焦技术的应用3超声相控技术4相控技术在B超中的波束成形应用5思考题2、聚焦技术的应用

2.1HIFU中的能量聚焦2、聚焦技术的应用

2.2体外肾结石粉碎机的能量聚焦2、聚焦技术的应用

2.3B超系统中提高横向分辨力聚焦的作用，可以分辨三个被测物非聚焦的作用，不能分辨2、聚焦技术的应用

实例：B超中聚焦对横向分辨力的影响

将样品（如：金属细丝等）放置在水中，设置B超的不同聚焦位置，采集不同焦距下的B超图像。

（a）单焦点且被测物在焦点处（b）单焦点但被测物不在焦点处样品焦点样品焦点目录Contents1声束聚焦及声场分布2聚焦技术的应用3超声相控技术4相控技术在B超中的波束成形应用5思考题3、超声相控技术

相控阵超声换能器：指的是将多个较小尺寸的探头有序排列成阵列，或者是将一个大尺寸的探头按照规则分割成许多独立的小单元探头，形成阵列探头。每个小探头单元具有独立电子引线，称之为阵元，相控系统可以独立控制各个阵元的发射和接收超声波的精确延时，使之同相（同时）到达目标区域，干涉叠加形成设计所期望的波阵面，达到聚焦，线性扫描，扇形扫描等效果。相控阵列通常可分为线阵和环阵等。3、超声相控技术

所谓相控换能器线阵：就是指多个换能器阵列排列成一条直线，每个阵元上所加信号的相位（发射时间的先后）不同。相控可以实现1）线性扫描，2）扇形扫描，3）电子聚焦等功能。

相控的优势：图（a）常规单晶探头和（b）阵列多晶探头对多向病灶的检测比较3、超声相控技术

3.1相控线扫同相线阵列，阵元数目越多，主瓣越尖锐。图

同相线阵列及声束方向图3、超声相控技术

a）线性扫描（LinearScan）3、超声相控技术

3.2相控扇扫声程差L=dsinθ，其中d为相邻换能器之间的距离，θ

为偏转的角度。发射延时Δt=L/c=dsinθ/c；c为超声波的速度。图3.24扇形扫描阵及声束方向3、超声相控技术

b）扇形扫描（SectorialScan）3、超声相控技术

3.3电子聚焦

3、超声相控技术

现以前者为例加以说明。如图所示，激励脉冲经延迟线后激发压电材料，两边延迟时间值最小并对称、然后由两边到中央逐渐对称地变大，中央延迟线的延迟时间值最大。因此位于两边的压电品片最早振动，然后依次振动，位于中央最迟振动。这样形成的圆形波阵面，其圆心就是焦点。相邻两个阵元之间的延迟时间差可以根据其声程来计算。令焦距为Z，两阵元中心距换能器中心分别为b1、b2，两个阵元之间的声程差为，因此两个阵元所对应的延迟线之间的延迟时间差Δt为对于频率为f的发射波，两个阵元发射相位差为2ft3、超声相控技术

c）深度聚焦（DepthFocusing）目录Contents1声束聚焦及声场分布2聚焦技术的应用3超声相控技术4相控技术在B超中的波束成形应用5思考题4、相控技术在B超中的波束成形应用

相控聚焦可以是发射，也可以是接收。相控聚焦发射参见4.4聚焦换能器章节。相控聚焦接收的原理如下，在聚焦接收过程中，接收回波信号后，相控阵控制器按接收聚焦的变换时间，并将这些信号延时汇合一起，形成一个脉冲信号，传送至检测仪，达到聚焦接收的效果，其原理如下图所示。图

脉冲发生（a）和回波接收（b）过程中的波束形成和时间延迟4、相控技术在B超中的波束成形应用

4.1B超中的多焦点和变焦扫描技术采用固定聚焦延迟不可能沿声束方向在不同的探测深度获得了好的聚焦声束和很好分辨率，因此要根据产生回波脉冲界面的深度动态的改变聚焦延迟，使得聚焦区的变化速度与回波信号到达换能器的速度一致，实际应用中采用分段聚焦。4、相控技术在B超中的波束成形应用

4.2B超中焦点位置对成像质量的影响图

焦距大于待测物到探头的距离图

焦距等于待测物到探头的距离图

焦距小于待测物到探头的距离待测物待测物待测物焦点的位置焦点的位置焦点的位置4、相控技术在B超中的波束成形应用

图

焦点远离铜丝时的成像图

焦点位于铜丝时的成像待测物待测物焦点的位置焦点的位置4、相控技术在B超中的波束成形应用

4.3B超中焦点数量对图像质量的影响

图、（a）焦点为1时的耦合剂瓶图像，（b）焦点为4时的耦合剂瓶图像目录Contents1声束聚焦及声场分布2聚焦技术的应用3超声相控技术4相控技术在B超中的波束成形应用5思考题5、思考题

透镜聚焦是利用声传播的A）散射原理，B）折射原理，C）衍射原理，D）吸收衰减原理2.下面哪种聚焦方式，即使用平面晶片也能实现聚焦___。A）透镜聚焦，B）压电材料自聚焦，C）反射镜，D）相控聚焦2.是非题，1）在诊断超声领域，聚焦使焦区的声束变窄，能提高横向分辨力。

（）2）单个振元的换能器，也能实现相控聚