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【专题分享3】使用Field-II 进行超声波束形成的设计仿真

归档日期:11-29       文本归类:发射角      文章编辑:爱尚语录

  《中国医疗器械信息》杂志近几年的精华文章与您分享,并持续更新中!欢迎订阅!欢迎投稿!来源: 本文刊登于《中国医疗器械信息》杂志2015年第6期11-14页

  周桂荣 李德来单位:汕头市超声仪器研究所有限公司 ( 汕头 515041)

  超声发射和接收波束是决定超声诊断系统性能的关键因素,设计上往往受到复杂的声场相互关系困扰。Field-II是一种能够仿真各种超声换能器并生成图像的一种工具,它能够提高设计仿真工作的效率和正确性,本文介绍使用Field-II进行超声发射和接收波束形成的设计仿真方法。关 键 词:

  波束形成包括发射波束形成和接收波束形成。形成发射波束可以提高特定方向上的声压,并且减少接收伪像。控制波束形成主要就是将各通道的激励延迟相应时间,使焦点位置上的发射声波同相位叠加、声压达到最大。根据探头上各阵元到目标点的距离差,可以按公式1 计算出超声波传播时间[1]。

  其中xn 为发射孔径中心与第n 个阵元的距离,x 为发射聚焦位置与发射阵列中心的横向距离,c 为声速,r 为发射聚焦位置与探头的垂直距离,阵元与影像位置的空间关系如图1 所示。一次发射周期只能发射一次声波,一般按照设定好的位置计算各个阵元通道的发射延时,即只需计算一组发射延时。

  接收波束形成使各通道接收到目标点的回波信号同相位相加增强。接收聚焦时,回波信号到达各阵元的时间不同,相位也不同,所以需要将每个阵元的信号进行时间上的调整并求和。同样的,可以按照图1 阵元与影像位置的空间关系,并根据公式1 计算目标点的回波到达各阵元距离差。与发射波束形成所不同的是接收波束能够在距离方向上连续聚焦,这就要求各阵元延迟时间差随接收深度变化。

  Field-II 仿真方法Field_II 是一个超声系统的MATLAB 仿真程序, 由丹麦超声专家J.A.Jensen 等设计, 可以模拟超声换能器的声场、使用线性声学原理进行超声成像。可以控制动态聚焦和变迹,能够仿真各种超声成像系统, 甚至支持合成孔径成像。能够为不同的超声换能器计算发射和接收回波声场,无论是脉冲波还是连续波情况。

  它使用Tupholme 和Stepanishen 提出的空间脉冲响应方法计算超声波的声场。根据线性系统理论,当超声换能器用狄拉克δ 函数激励时,由空间脉冲响应就得到空间上某一点随时间变化的发射超声波声场。对于任何类型的激励,只需要把空间脉冲响应和激励信号卷积就能够计算出声场,例如,连续波信号激励的结果就是空间脉冲响应在给定频率上的博立叶变换。

  它还能够模拟任何线性成像,模拟出来的人体组织图像很逼真。空间脉冲响应等于点源发射出来的球面波的接收响应,把发射、接收的空间脉冲响应和发射函数卷积就得到接收响应[2~3],根据感应器的电力机械转换函数得到回波电压信号。

  Field II 能够计算出变迹换能器的空间脉冲响应,这是其他方法难以做到的。它把换能器表面分割成许多方格,传感器的响应就等于各方格响应的总和,因此能够仿真任何几何形状的传感器[4]。

  Field II 程序通过时间序列实现聚焦,每个焦区对应一个焦点位置和一个时间点,动态聚焦时,焦点随时间(深度)变化。设置聚焦参数的同时要用xdc_center_focus 设置参考位置,聚焦时间计算如下:

  仿真时可以通过函数set_field 设定信号随频率衰减的系数,衰减包括频率有关的衰减和频率无关的衰减两部分。频率有关的衰减是线性的,可以通过att_f0, 即f0 频率处衰减为0dB,这样可以简化衰减计算。

  为了减少仿真时间,当成远场情况处理可以简化仿真。减少仿真时间的另一个方法是降低采样频率,Field 程序经常使用100MHz 采样频率和近似的计算。

  Field II 主要由C 程序组成,还有调用它们的一些Matalab m 函数,C 程序负责所有的计算和数据处理。其中m 函数分三种类型:初始化程序(field_)、定义换能器(xdc_)、运算操作(calc_)

  设计仿真和实验仿真开始时要让Matalab 的搜索路径中包含Field II 的m 文件,并初始化Field II 程序系统:

  xdc_linear_array 定义一个发射、接收换能器,并使用函数xdc_get 获得每个通道的位置

  汉宁窗,使用函数xdc_impulse 为发射、接收换能器设置脉冲响应。

  控制发射波束形成最重要的是计算各发射阵元发射脉冲的延迟时间,以相控阵换能器为例,按前面设定的焦点位置计算一组发射延时参数。

  到此为止,仿真发射波束所需要的环境和基本参数设置已经完成,下面使用函数calc_hp 计算出声场的声压分布情况。

  在前面已有的参数基础上,仿真接收图像需还要建立仿真模型,模真模型的参数有目标位置(phantom_positions)和目标反射强度(phantom_amplitudes),对于多目标情况,参数就用数组表示,这里只设置3 个不同深度的靶点,来仿真聚焦的效果。

  条扫描线的接收信号,由于相控阵每条扫描线偏转角不同,每条扫描线都需要重新计算发射延时参数,再使用函数calc_scat 计算出目标散射回波合成的信号,下面介绍具体步聚:

  按顺序分别计算每条扫描线的发射延时参数,以前面指定的发射焦点位置为参考点来计算发射延时,使用函数xdc_focus_times 为发射换能器设置延时参数,用来控制发射波束。使用函数xdc_apodization 设置发射的所有通道幅度加权系数,使用函数calc_scat 计算出所有的发射和接收阵元共同作用产生的目标散射回波信号,把回波信号数据保存在image_data。

  结束语本文通过发射和接收波束形成的两个基本实验,介绍了Field II 在设计超声波束形成的应用。由于发射波束很难做到全程聚焦,声学原理又很复杂,不能直接预见设计效果,因此很难提高发射波束性能。借助Field II 则可以方便地仿真发射波束形成,直观又高效,能够及时发现问题并调整设计,指引正确的设计方向。使用Field II 仿真接收波束形成也很方便,既能够直接计算出接收波束形成的回波信号数据,也可以支持合成孔径仿真,即各单元分别发射时计算出所有单元的接收数据,用户自己进行聚焦和变迹等处理。此外,Field II 还支持了多普勒模式和彩色血流模式仿真。

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