超声数字式相控阵换能器动态聚集系统研制

本文是研制超声相控阵换能器动态聚焦系统,它包括数字式多通道信号发射系统和两种超声相控阵换能器。用数字式多通道信号发射系统产生多路数字信号,通过改变每路信号的时延（相位）,控制相控换阵换能器的各个阵元,使它们发出的声束在空间某点聚焦。我们对这两种相控阵进行了实验测量,结果表明,用数字控制的相控阵换能器,可以实现精密的动态聚焦,并可取得良好的聚焦效果。     

自聚焦换能器的声场研究

高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤是一项无创伤的新技术,有着很好的应用前景,因此对其声场的研究是有实际的价值的。对声场的研究不仅有利于换能器的设计,提高治疗的效果;而且有助声场测量方案的设计,提高对治疗超声剂量的安全保证。本文采用时域有限差分法研究了自聚焦换能器的声场,分别对简谐波,脉冲波进行了研究。比较清楚地看出在焦区的声场可以认为是平面波,这对光纤端面法声场测量提供了有力的支持。     

热疗用聚焦超声换能器的研究

本文通过数值计算及实际测量,研究了凹球面声透镜聚焦换能器及凹球面自聚焦换能器产生的声场,证实此两种聚焦方式均可获得理想的聚焦效果,但自聚焦方式更适合高强度聚焦超声(HIFU)加热治疗。     

一种用于线阵换能器的三相压电复合材料

本文介绍了一种具有２－２结构特征的三相压电复合材料的结构及其制备方法，并与一种二相压电复合材料的类似结构对对比，进行了横向耦合，频率特性，声阻抗和介电性能等方面的测试和讨论，同时介绍了这种三相复合成功地应用于线阵换能器的结果。     

HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律*

高强度聚焦超声(HIFU)治疗中的驱动电功率对治疗效率起着非常关键的作用,驱动电功率控制的精准性势必会影响治疗的效率和安全性。前期研究表明：HIFU治疗过程中焦域瞬态物理特性的变化会导致换能器的负载阻抗发生变化,进而影响HIFU驱动电功率,但驱动电功率与焦域瞬态物理特性之间的影响关系及规律尚不明确。该文基于电压、电流传感器、空化检测探头和温度传感器等器件,构建了一种HIFU治疗中驱动电功率实时监测及焦域声空化、温度检测系统。基于该实验研究系统,以离体牛心组织作为HIFU辐照对象,分别研究了HIFU焦域温度变化、声空化及组织损伤与驱动电功率之间的变化关系及规律。研究结果表明：当焦域温度升高时,驱动电功率缓慢上升,驱动电功率与温度变化有良好的相关性;当空化产生时,驱动电功率出现明显的波动;当组织出现损伤时,驱动电功率呈陡然下降的变化。三种情景下,驱动电功率变化有明显区别,这有望为区分HIFU治疗过程中焦域处发生损伤和空化以及实时监测靶组织损伤程度提供一种新的解决方案。     

随机相控高强度聚焦超声换能器的栅瓣抑制

采用3种随机排列策略形成相控阵元线性排列结构抑制高强度聚焦超声(HIFU)相控阵栅瓣。第1种和第2种策略中阵元基于规则排列随机移动,而第3种策略中阵元则直接进行随机移动,阵元可移动范围依次为:第1种<第2种<第3种。采用瑞利积分和非线性Westervelt方程分别计算了3种策略对应随机相控阵产生的线性和非线性声场,并通过归一化栅瓣最大声压、归一化栅瓣平均声强和归一化旁瓣平均声强3个参量,对栅瓣抑制效果进行评价。结果表明:线性声场中,阵元可移动范围的增加有利于栅瓣抑制,3种随机策略的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低30.7%,53.8%和55.8%;非线性声场中对于同一种随机排列策略,随机度的增加可以改善栅瓣抑制效果。例如,第3种随机策略在随机度为0.9时正负压的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低55.6%和54.8%。进一步讨论了焦点偏移时随机相控阵的非线性声场,以-8 dB作为栅瓣的安全标准,第2种和第3种随机策略可以满足要求,横向偏移分别为6 mm和10 mm。本文的工作为抑制栅瓣提供了新思路,有利于随机HIFU相控阵的设计优化。     

基于时间反转法的相控换能器声场的仿真研究

相控换能器具有焦距可调的优势。本文以82阵元相控换能器建立的3D数值仿真模型为例,基于时间反转法提取阵元的激励信号,利用时域有限差分(FDTD)法对Westervelt声波非线性传播方程进行声场数值仿真,研究不同阵元分布、偏离声轴的距离、设定焦距大小对形成声场的影响,可调控范围及其消除旁瓣方法。研究结果表明,随机分布相控阵可明显降低声场中的旁瓣;随着偏离声轴距离的增加,主瓣声压幅值逐渐减小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r逐渐增大,且沿声轴的可调控范围逐渐减小;随声轴方向上设定焦距的增加,主瓣声压幅值先增大后减小,r值先减小后增大;基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上扩大相控阵声场的可调控范围。     

基于换能器驱动信号特征的高强度聚焦超声焦域损伤实时监测

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)焦域的实时监测是聚焦超声临床治疗面临的关键问题,目前临床常采用B超图像强回声的变化实现焦域组织损伤的监测,而B超图像出现的强回声大多与焦域处的空化及沸腾气泡相关,无法准确、实时地监测治疗状态.HIFU治疗中焦域组织会伴随温度升高、空化、沸腾和组织特性等变化,换能器表面的声学负载也在不断变化,针对该问题,本文构建了换能器电压电流实时检测平台,通过测量换能器电学参数来感知焦域组织的状态变化.以离体牛肝组织作为HIFU辐照对象,并将相位差变化的结果与离体牛肝组织损伤的结果进行了对照,实验结果表明,在HIFU辐照过程中,换能器电压与电流的相位会出现由相对平稳到大幅波动的过程,此时停止辐照可见焦域出现明显损伤,而此时B超图像灰度无明显变化;此外,当焦域出现空化时,其波动幅度与范围将较之更大.此方法可为HIFU焦域组织损伤监测提供一种新的研究方案和手段.     

超声数字式相控阵换能器动态聚焦系统研制

本文是研制超声相控阵换能器动态聚焦系统,它包括数字式多通道信号发射系统和两种超声相控阵换能器。用数字式多通道信号发射系统产生多路数字信号,通 过改变每路信号的时延(相位),控制相控阵换能器的各个阵元,使它们发出的声束在空间某点聚焦。我们对这两种相控阵进行了实验测量,结果表明,用数字控 制的相控阵换能器,可以实现精密的动态聚焦,并可取得良好的聚焦效果。     

HIFU温度场可视化测量初探

本实验用蓖麻油模拟人体环境、热敏打印纸作为记录载体,测量高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统焦点附近的温度分布情况。实验中热敏打印纸显影所指示的温度已经达到HIFU治疗所需要的温度,实验的结果对进一步研究HIFU温度场分布有借鉴作用。     

热超声倒装键合中换能杆末端多维振动的相关性研究

换能杆末端的振动情况对于超声键合机理的研究有着重要意义；换能杆末端的实际振动模式直接影响着芯片键合的质量。利用高精度非接触式激光多普勒测振仪采集了换能杆末端俯仰、水平、轴向振动速度，用相干函数方法分析了3个方向的相互耦合关系。分别对换能杆末端有未安装劈刀的情况做了比较，得出了在换能系统工作频率附近，换能杆末端轴向振速与水平、俯仰振速的相关程度。这对实际键合中，换能系统末端的劈刀安装长度的选择以及换能杆工作频率的选择有指导意义。     

一种保证超声清洗机性能的换能器大功率测试方法

本文较详细地叙述了生产超声清洗机过程中，对换能器频率，频带宽度，阻抗等参数实施一种简单而实用的大功率测试法，据此进行筛选来提高超声清洗机的性能。     

Fabrication and evaluation of fully-sampled, two-dimensional transducer array for "Sonic Window" imaging system

A low-cost, fully-sampled, 3600 element 2D transducer array operating at 5 MHz and designed for use in a hand-held ultrasound system is described here. Four array configurations are presented - (1) array with both matching and pedestal backing layers, (2) array with a matching layer but no backing pedestal, (3) array with a backing pedestal but no matching layer, and (4) array with neither matching layer nor backing pedestal. Each array was characterized in terms of impedance measurements, pulse-echo response, and experimental beamprofile. Comparative finite element analysis simulations are also presented. Average estimated active element yield for the four arrays was 94%. The array with pedestal layer proved the most promising, providing a 26% bandwidth and a 1.7 dB improvement in sensitivity with respect to the array with neither pedestal nor matching layer. Although this bandwidth is acceptable for our specific application (C-scan imaging), reverberations within the substrate material remain a potential challenge. We are currently working to fabricate a custom PCB material to address this concern, and may also consider using a pre-compensated transmit waveform or matched digital filter approach to further reduce the effects of such reverberations.     

4 MeV直线感应加速器控制系统设计与实现

 设计了以淬发方式产生强流电子的4 MeV 直线感应加速器的基于局域网的分布式控制系统。介绍了应用FP2000分布式I/O系统和可编程序电源的硬件体系结构,阐述了在Labwindows/CVI平台上基于DataSocket服务器作为数据传输媒介的分布式系统实现方法。对系统开发中出现的DataSocket服务器数据丢失,因数据项数量庞大而带来应用程序的结构和逻辑关系难于把握两点不足,提出了对数据项进行抽象和综合,应用数据字典描述数据项,充分考虑可靠性和快速响应之间的关系,合理使用数据项的属性等有效的实现办法。     

线阵CCD与IBM微机的接口设计

本文介绍了采用端口串传送方法制作的线阵ＣＣＤ与ＩＢＭ微机的接口设计，给出了硬件设计原理和接口的汇编程序。     

Development of a 64 channel ultrasonic high frequency linear array imaging system

In order to improve the lateral resolution and extend the field of view of a previously reported 48 element 30 MHz ultrasound linear array and 16-channel digital imaging system, the development of a 256 element 30 MHz linear array and an ultrasound imaging system with increased channel count has been undertaken. This paper reports the design and testing of a 64 channel digital imaging system which consists of an analog front-end pulser/receiver, 64 channels of Time-Gain Compensation (TGC), 64 channels of high-speed digitizer as well as a beamformer. A Personal Computer (PC) is used as the user interface to display real-time images. This system is designed as a platform for the purpose of testing the performance of high frequency linear arrays that have been developed in house. Therefore conventional approaches were taken it its implementation. Flexibility and ease of use are of primary concern whereas consideration of cost-effectiveness and novelty in design are only secondary. Even so, there are many issues at higher frequencies but do not exist at lower frequencies need to be solved. The system provides 64 channels of excitation pulsers while receiving simultaneously at a 20–120 MHz sampling rate to 12-bits. The digitized data from all channels are first fed through Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), and then stored in memories. These raw data are accessed by the beamforming processor to re-build the image or to be downloaded to the PC for further processing. The beamformer that applies delays to the echoes of each channel is implemented with the strategy that combines coarse (8.3 ns) and fine delays (2 ns). The coarse delays are integer multiples of the sampling clock rate and are achieved by controlling the write enable pin of the First-In-First-Out (FIFO) memory to obtain valid beamforming data. The fine delays are accomplished with interpolation filters. This system is capable of achieving a maximum frame rate of 50 frames per second. Wire phantom images acquired with this system show a spatial resolution of 146 μm (lateral) and 54 μm (axial). Images with excised rabbit and pig eyeball as well as mouse embryo were also acquired to demonstrate its imaging capability.     

脉冲超声换能器声场测试系统的设计

脉冲超声换能器是超声检测的关键部件,为了获取其声场特性参数,该文基于小球反射法,采用虚拟仪和单片机技术设计了工业用圆形晶片活塞声场测试系统。系统的程控交互界面采用美国国家仪器公司研制开发的图形化编程软件LabVIEW设计,通过调用动态链接库与系统核心硬件超声发射接收卡进行数据通信及对其功能进行设置,同时系统上位机通过RS232串口与下位机单片机通讯,实现对三轴扫查平台的多种扫查方式控制。该系统可实时显示脉冲换能器声压分布图像,并可通过对声压分布数据实现对换能器近场长度及扩散角等参数的测量。     

Ku波段28单元径向线阵列天线馈电系统设计

研究了一种Ku波段多单元矩形径向线子阵馈电系统。为了满足特定耦合量的要求, 提出了一种层叠式的新型耦合探针, 并以此为基础, 对中心频率为12.5 GHz的28单元矩形栅格径向线子阵馈电系统进行了设计与分析。模拟仿真结果表明：该口径为61.6 mm125.2 mm的馈电系统在12.5 GHz中心频率处反射系数为0.015, 耦合不平衡度为1.05 dB;同时在12.2～12.7 GHz的频带范围内, 反射系数小于0.1, 耦合不平衡度最大值为2.62 dB, 基本满足了28路等幅馈电输出的要求。