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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

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. 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＜２ 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。. 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

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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

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  1. 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 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。

  2. 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. 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。

  4. 第二节 超声波束的扫描 • 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，……

  5. 性能指标 • ① 扫查线总数： • N＝n-m+1 • N —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’＝d • d’—扫线间距 • d—相邻阵元中心距

  6. 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。

  7. 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。

  8. 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。

  9. 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

  10. 第三节 声束的聚焦 • 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。

  11. 　 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。

  12. 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。

  13. 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

  14. （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。

  15. 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。

  16. 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。

  17. （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。

  18. 焦点 Si S1 F d L1 Li 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ⒑ （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

  19. （5）数值例 • 设：F＝35mm，d＝0.5mm，m＝8，则可求得： • S1＝S8＝35.043723mm τ1＝τ8＝0ns • S2＝S7＝35.022314mm τ2＝τ7＝13.9ns • S3＝S6＝35.008034mm τ3＝τ6＝23.17ns • S4＝S5＝35.000893mm τ4＝τ5＝27.81ns

  20. 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。

  21. 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。

  22. （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。

  23. Vdd I/O0 16 13 Vss I/O1 8 14 Vee I/O2 7 15 O/I I/O3 3 12 E/ I/O4 6 1 A I/O5 11 5 B I/O6 10 2 C I/O7 9 4 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

  24. 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。

  25. 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。

  26. （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。

  27. 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。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。

  28. 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－A5 • ④ 功能 • 多路开关选 • 通延迟线抽头， • 得到不同延时。

  29. ⑤ 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： • 80×2＋10×3＝190ns • 改变控制码A0－A5，就能改变总的延迟时间。

  30. 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。

  31. （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。

  32. 二次曲线曲率变化 （5）脉冲F0-5/与阵元的触发关系

  33. 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：

  34. 第四节 发射多路转换开关——脉冲分配器 • 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)

  35. 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

  36. （4）连接特点 • ① FO/－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。 • ③ TQA—TQC接各片IC的A-C。 • ④ TQE＝TQD/, • TQD接单号IC的E/(图中G)。TQD＝0，单号有效。 • TQE接双号IC的E/(图中G)。TQE＝0，双号有效。 • （5）几点说明 • ① 因12个阵元对称触发，故仅需6个信号(F0/～F5/)。 • ② 因对称触发，故不存在偏向。

  37. （6）具体分析例 • ① 当TQE～TQA＝10 000时： • 双号IC无效，单号IC有效。 • 多路开关I/O0(D1)开通。 • F0→P1，P12； • F1→P2，P11； • …… • F5→P6，P7。 • ② 当TQE～TQA＝10 001时： • 双号IC无效，单号IC有效。 • 多路开关I/O1(D2)开通。 • F0→P2，P13； • F1→P3，P12； • …… • F5→P7，P8。

  38. （7）控制码与F0－F5的分配输出关系 • 注：HP1～HP16＝P1～P6——接16个发射脉冲发生器

  39. 发射激励脉冲 0v －120v左右 5v 0v 第五节 发射脉冲产生电路 • ① 作用：由触发脉冲产生对阵元的发射激励脉冲。 • ② 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。 • EUB－240：125V； SSD－256：120V。 • 脉宽—决定轴向分辨力（与工作频率有关）。 触发脉冲 (Fi /)

  40. 一、EUB－240型B超发射脉冲产生电路 • ⒈ 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

  41. ⒉ 工作过程 充电 • ① 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 • ② 触发脉冲到来时——电容C17放电 • Fi＝“0”, Vg＝12V, 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。 放电振荡 Fi

  42. ③ 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。

  43. 接收门控电路 接收通道电子开关 发射门控电路 -15V 脉冲发射电路 二、SSD－256型发射脉冲产生电路 • ⒈ 电路构成

  44. 放电振荡 充电 -15V ⒉ 工作过程 • （1）发射 • ① TX GATE＝“1”， • TR2、TR1截止， • 电源＋120V • R3，R2 C1充电 • ② 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 • ① RX GATE＝“1”，TR3截止，VA＝-15V,使D4截止。 • ② RX GATE＝“0”，TR3导通，VA＝5V, • D2，D3，D4导通，接收通道开通。

  45. 第六节 二极管开关及其控制电路 • （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，

  46. （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。

  47. （4）连接方式例 • 80个阵元与F、H、K的连接。 （非EUB-240型B超用） • F1－F15(H1-H15)，15根；K1－K16，16根。共31根，连线减少。

  48. F1(H1) F2(H2) F3 按表4－11、表4－12构成的二极管开关阵列图

  49. 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。 • 1．ROM • 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。

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