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。     

多通道超声相控阵驱动控制系统设计

低强度经颅聚焦超声是一种利用脉冲聚焦超声调控脑神经元的治疗技术。为抑制人颅骨的非均质性和个体结构差异影响,须对多阵元相控阵聚焦换能器的各阵元进行参数调控实现经颅精准定位聚焦,各阵元参数调控需通过相位控制和驱动电路系统来实现。该文设计并搭建了一种基于直接数字式频率合成技术的多通道相位、幅值独立可调的相控驱动系统。实测结果表明,可实现正弦波和方波高精度相控输出,输出信号电压峰峰值在0~37.5 V可调,相位分辨率为0.1°,延时误差小于1 ns,可满足多阵元相控阵聚焦换能器驱动及其所需相位分辨率的需要。     

基于FPGA的高强度聚焦超声相位控制系统设计*

多阵元相控阵换能器具有焦距可调和可实现经颅聚焦等优势,近来受到众多研究者的关注,其相位控制系统是决定多阵元相控换能器能否应用于临床的关键技术之一。在输出信号稳定的同时提高高强度聚焦超声相位控制系统精度是设计过程中的重点与难点。本文基于现场可编程门阵列设计了一种高强度聚焦超声相位控制系统。实测结果表明,多通道延时分辨率为1 ns,延时误差小于1 ns,可满足多阵元高强度聚焦超声治疗相控聚焦换能器延时精度的需要。     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

界面条件下线型超声相控阵声场特性研究

开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究.将带有楔块的超声相控阵问题合理简化为液固界面的情况进行讨论.根据射线声学理论,计算了单阵元在液固界面存在时的辐射声场,进而推导了聚焦法则,得到了超声线型阵在液固界面存在时的声场、位移场表达式.对安装在楔块上的相控阵换能器的辐射声场进行了仿真,并讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响,结果表明利用聚焦能提高分辨率和灵敏度,但聚焦区域之外声束性能更差,在实际检测中要合理利用聚焦. 关键词： 超声相控阵 界面 声场 聚焦     

基于FPGA的相控超声发射系统设计与实现

设计了一种以FPGA为核心的相控超声发射系统,对该系统工作原理及相控聚焦方法进行了研究;设计了一种二维相控阵列,并进行了阵列定点聚焦延时仿真;最后运用该系统实现了对相控阵列的高精度聚焦延时控制,并经过DA转换、电压及功率放大,产生了幅值及波形可控的激励信号,测试了该系统对实际目标的定位精度;实验结果显示对实际目标定位偏差在3%左右,该超声相控发射系统可实现相控聚焦发射,延时控制精度高,可靠性好。     

基于合成孔径技术的内镜超声相控阵成像算法

利用孔径大小为2.32mm的16阵元换能器,搭建了一套16通道的内镜超声相控阵成像实验系统。在此基础上提出了一种适用于内镜成像的相控阵成像算法(PAI),该算法利用延时和叠加算法(DAS)取得扫描线数据,再利用合成孔径技术中的相干样点叠加,得到高分辨率图像。该相控阵成像算法实现了发射和接收的动态聚焦。经FieldII仿真和内镜探头超声成像实验验证,与延时和叠加算法以及动态接收聚焦算法(DRF)相比,图像的理论横向分辨率分别提高了93.68%和17.5%,实验获得的实际横向分辨率分别提高了92.78%和14.69%,验证了相控阵成像算法和实验系统的可行性。     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

相控阵高强度聚焦超声的研究进展

相控阵高强度聚焦超声(high Intensity focused ultrasound,HIFU)技术可以通过电子调相自由控制聚焦区域中焦点的形状、位置、个数等,实现高精度、高效率的治疗。文章主要介绍了相控聚焦超声的原理、阵型设计、声场优化、控制算法、电路设计以及换能器材料等几个方面。     

带楔块二维面阵列超声相控阵声场特性分析

开展了带楔块二维面阵脉冲超声相控阵辐射声场特性的研究。将安装在一定角度斜楔块上二维面阵相控阵换能器声场问题简化为液固界面情况进行讨论。以单阵元在液固平界面条件下的辐射声场为基础,推导了聚焦偏转法则,给出了带楔块二维面阵超声相控阵声场计算方法。以检测材料为钢板,安装在倾斜角为36°有机玻璃楔块上的频率为5 MHz、8×8二维面阵相控阵的辐射声场计算为例,分析了在不同偏转角和不同聚焦深度下检测材料中的辐射声场特性。计算结果表明该方法可有效的分析带楔块二维面阵超声相控阵声场特性并用于指导二维超声面阵角束探头的设计。      

圆环形聚焦声场的构建与调控

提出了一种由径向振动模式的圆环形压电换能器晶片组成的圆柱形阵列换能器结构, 依据阵元激励信号的相位调控机理, 推导了圆环形聚焦声场的调控公式, 在三维空间中构建了圆环形聚焦声场, 实现了对其聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及轴向位置移动的调控. 理论分析和仿真研究表明, 所提出的圆柱形阵列换能器实现了对圆环形聚焦声场的调控. 为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种可实现的新型圆环形可调控聚焦声场.     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

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。     

固体中线性相控阵列的瞬态聚焦特性

针对线性相控阵列在固体介质中的声场聚焦特性及参数优化问题,该文给出了一个线性阵列的纵波瞬态聚焦声场模型.数值结果表明,当阵元被短时脉冲信号激励时,瞬态聚焦声场中不会形成栅瓣,突破了传统稳态理论模型中对阵元间距的限制;同时由于横纵波在聚焦区域内可完全分离,声束旁瓣的幅值也得到了抑制.其次,增大阵元间距能够显著提高聚焦性能...     

基于粒子群算法的稀疏阵列超声相控阵全聚焦成像

为降低相控阵超声检测全聚焦算法的成像数据量及阵列稀疏优化的计算时间,研究了一种用于稀疏阵列全聚焦成像的阵列优化算法,并通过实验对其成像效果进行了验证。针对目前超声相控阵检测的全矩阵采集数据量大、全聚焦算法成像时间长的难点,该文通过构建稀疏阵列,在保证成像质量的同时显著降低成像数据量,提高了全聚焦算法的成像效率。通过以主瓣宽度、旁瓣峰值以及主瓣峰值作为约束条件构建适应度函数,采用粒子群算法得到稀疏阵元位置分布并进行阵元权重修正,并将其用于稀疏全聚焦成像。相比全阵元成像,使用粒子群算法所得的稀疏阵列的阵元个数降低了56.25%、65.62%,数据使用量降低了80.86%、88.18%。在阵列优化方面,相比遗传算法减少了84.86%的计算时间。     

相控阵超声接收动态聚焦算法及其物理实现

本文提出一种新的相控阵接收动态聚焦的实现方案,在传统的单接收聚焦点接收的基础上,把各换能器单元接收信号的补偿位置计算出来,在各通道数据叠加前将数据动态补偿,实现各个采样点都接收动态聚焦。在工程上,实际检测深度有一定范围限制,补偿点数其实并不是太大,所以方法具有可实现的条件。并且在计算补偿点时,可以使用楔块折射后的声波传播路径,使在折射的条件下也可成功动态聚焦。本文提供了计算补偿点的方法,最后给出了计算机仿真对比和物理实现方案,仿真结果可以看出成像效果与传统单点聚焦相控阵对比有了显著提高。提出的动态聚焦的方法很大地改善了成像质量,方法具有实用价值。     

球面矩形阵元相控阵高强度聚焦超声手术的子阵工作模式

提出了超声手术治疗肝肿瘤时非侵入性的球面矩形阵元相控阵的多种子阵工作模式:通过图像扫描来确定仅让不受肋骨遮挡的换能器子阵继续工作,并运用超声传播公式、伪逆矩阵算法和遗传算法进行声场的优化合成。结果表明:球面矩形阵元相控阵换能器的多种不同的子阵划分,不仅能够产生手术中需要的单焦点、多焦点等多种治疗模式,其声场的焦域形状和聚焦声强均达到了治疗的要求,而且能够减少肋骨上的声功率累积,避免了正常组织受损,从而可能解决高强度聚焦超声手术治疗肝肿瘤时超声波束受肋骨遮挡不能形成治疗需求声场模式的困难,拓宽治疗区域。     

时间反演聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究*

无创脑神经调控技术是生物医学领域的研究热点,经颅磁声电刺激是利用静磁场和声场的耦合而产生的感应电场作用于神经组织,对大脑的目标位置进行刺激和调控的一项技术。颅骨的存在使超声在传播过程中发生相位畸变和幅值衰减,聚焦区域偏离,难以实现精准聚焦。该文基于时间反演法,模拟颅内点声源发射脉冲以及超声传播过程,计算各个阵元接收到的时间差,按照后到先发的原则发射脉冲进行聚焦刺激。与传统相控阵聚焦相比,焦点偏移现象基本得到解决,焦域横向、纵向分辨率均有所提高,提高了声束聚焦精度和感应电场峰值。通过搭建实验平台,将两种聚焦方法所测得的声场归一化处理,验证了时间反演法能补偿焦点偏移,并通过实验证实了超声换能器声场和产生感应电场分布存在较高的一致性。基于真实颅脑结构的虚拟点源时间反演聚焦可以实现无创、精准、灵活的经颅磁声电刺激,有助于推动精准神经调控技术的发展。     

剪切波对HIFU经颅聚焦形成温度场影响的数值仿真研究

在高强度聚焦超声经颅治疗时,既有纵波又有剪切波,为了保障该治疗方法的安全有效性,有必要分析剪切波对HIFU治疗温度场的影响。该文基于人体头颅CT数据和曲率半径为150 mm的256阵元的半球相控换能器建立三维高强度聚焦超声经颅声波传播模型,利用时域有限差分法结合Westervelt声波非线性传播方程、动量方程、质量守恒方程和Pennes生物热传导方程数值仿真其形成温度场,研究在相同输入功率、不同聚焦角度条件下对应阵元数进行激励时,剪切波对换能器形成温度场的影响。结果表明,随换能器聚焦角度减小,在几何焦点处形成的焦域面积逐渐增大,考虑剪切波形成的温度场达到65?C所需时间逐渐延长,焦点前移程度越大;在相同聚焦角度条件下,考虑剪切波的温度场达到65?C所需时间更短,旁瓣更少,在颅骨处的温度更高,对焦点前移几乎没有影响;随换能器聚焦角度减小,考虑剪切波的模型形成的焦域面积变化范围更大;幂指数函数形式对不同聚焦角度下焦域面积大小的拟合优度高,可预测不同聚焦角度换能器形成的焦域面积。     

热疗用环形平面换能器声场特性的研究

引入负声源，导出了环形平面换能器声场的简洁表示式，计算了单个圆环、多个同心圆环同时激励及环阵相控聚焦声源产生的声场，分析了环的宽度、环数及聚焦点位置等因素对声场特征的影响。提出根据各阵元在声场中某点产生的声压的相位来确定各阵元电激励信号的延时，此方法较根据各阵元到该点的平均声程确定各阵元电激励信号的延时，能更难确地在该点实现聚焦。