专利名称：一种超声探头发射脉冲非球面聚焦方法
技术领域：
本发明涉及超声成像技术领域，具体涉及一种超声探头发射脉冲非球面聚焦方法。
背景技术：
现代超声成像系统基本上都采用阵列换能器和电子聚焦技术。超声成像系统的电 子聚焦分为发射聚焦和接收聚焦两个方面。接收过程由于可以对信号缓存，所以可以实现 逐点聚焦。发射过程一次发射只能选择一个焦点。传统的电子聚焦方法是计算阵列换能器 各阵元到达焦点的声程长度，由各阵元间的声程差，计算出各阵元的时延差。通过控制各阵 元发射脉冲时延，使得所有阵元的声脉冲同时到达焦点，从而实现聚焦。这种聚焦方式称之 为球面聚焦。球面聚焦可以在焦点处产生声场的极大值，偏离焦点位置的声场急剧衰减。因 而，形成很好的方向性。对于发射聚焦而言，由于一次只能形成一个焦点，因此，会使得发射 的超声波声场沿扫描线分布很不均匀。最终形成的图像会出现焦点处图像分辨率很高，而 偏离焦点分辨率急剧下降的问题。这也是超声图像整体分辨率不好的主要原因。用光学成 像的术语来描述，就是图像的景深很短。 现有技术的发射脉冲聚焦时延计算方法如图1所示，第i个阵元距离孔径中心的 距离为Xi，焦点F距离孔径中心的距离是L，第i个阵元距离焦点F的距离为li ^ = *2+^2 ( 1 ) 为了使得第i个阵元发射的声脉冲和中心发出的声脉冲同时到达F点，则第i个 阵元必须比中心提前一段时间发射，或者说要延迟一段负的时间发射。时延量为
<formula>formula see original document page 3</formula> c是声速。按照这样的方案实现的发射声场分布如图2所示，声场分布的三维表示 如图3所示。 从图2和图3的声场分布可以看出，球面聚焦发射在焦点处有很集中的能量积聚， 方向性也很尖锐。但是，在声传播的方向上稍微偏离了焦点处，这种方向性就急剧变坏，沿 着声传播方向的扫描线上，声场分布也很不均匀，这就意味着所成超声图像的不均匀，其成 像效果如图4所示(线阵超声探头，焦点位置50mm，中心频率7. 5MHz，阵元间距0. 5mm，孔径 阵元数32)。从图4可以看出，在焦点50mm处，耙点的像最细，表现出很好的横向分辨率。 但是，偏离焦点处，耙点变粗，表现出横向分辨率下降。同时在焦点附近，耙点亮度最高，偏 离焦点的靶点，亮度大大下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，克服现 有技术超声探头发射脉冲球面聚焦方法声场分布不均匀、超声图像整体分辨率低的缺陷。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为CN 101770028 A
—种超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，包括步骤 Al 、沿超声探头孔径中心声波传播方向的中心线上设置M/2个焦点， M是探头发射孔径的阵元数目； A2、计算聚焦到每个所述焦点的超声探头各阵元相对于孔径中心的发射时延 A3、根据所述发射时延控制超声探头各阵元发射脉冲的发射顺序。 所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其中线阵超声探头发射孔径中各阵元
相对于孔径中心的发射时延按照如下公式计算 = (A - #2 +Z,2)/C ; 其中Li是第i个焦点到孔径中心的距离，&是发射孔径中第i个阵元到孔径中 心的距离，C是声速。 所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其中凸阵超声探头发射孔径中各阵元 相对于孔径中心的发射时延按照如下公式计算△《="一 +i )2 +i 2 — 2i (丄,+i )cos<9,)/ c; 其中Li是第i个焦点到孔径中心的距离，R是凸阵超声探头的半径，9i是凸阵超 声探头圆心指向发射孔径中第i个阵元中心位置的半径与指向发射孔径中心的半径的夹 角，c是声速。 所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其中发射时延还可以按照如下公式计 算 A ti = _ (a I Xi | +bXi2) /c ; 其中A是发射孔径中第i个阵元到发射孔径中心的距离，a、b是常数，c是声速。
所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其中所述焦点沿超声探头孔径中心声 波传播方向的中心线等距离分布。 所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其中对称分布的超声探头各阵元只取 一半计算其相对于孔径中心的发射时延。 本发明的有益效果本发明超声探头发射脉冲非球面聚焦方法发射脉冲在一次发 射中聚焦在一个连续的区域上，在一定范围内的扫描线上，声场在每一点都有较好的方向 性，声场的分布不会因为离开焦点而急剧衰落，因此超声图像具有更均匀的分辨率和亮度。
本发明包括如下附图 图1为现有技术球面聚焦计算阵元发射时延的几何示意图； 图2为现有技术球面聚焦发射的超声声场分布图； 图3为现有技术球面聚焦发射超声声场分布的三维示意图； 图4为现有技术球面聚焦发射的成像效果图； 图5为本发明非球面聚焦计算各阵元发射时延的几何示意图； 图6为本发明非球面聚焦发射时延与球面聚焦发射时延比较图； 图7为本发明非球面聚焦发射的超声声场分布图； 图8为本发明非球面聚焦发射超声声场分布的三维示意4
图9为本发明非球面聚焦发射的成像效果图； 图10为本发明实施例电路图； 图11为本发明凸阵超声探头非球面聚焦发射的超声声场分布图； 图12为本发明凸阵超声探头非球面聚焦发射超声声场分布的三维示意图。
具体实施例方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明 如图5所示，本发明计算线阵超声探头非球面聚焦各阵元发射时延，孔径包含的 阵元个数为2m，由于对称性，相对于孔径中心对称的阵元具有相同的时延值，因此计算只需 要对其中一半阵元进行。为了使得发射声波聚焦在一个范围上而不是一个点上，沿孔径中 心声波传播方向的中心线上设置m个焦点，焦点序号为Fl到Fm，分别和阵元1到阵元m对 应。计算阵元i到焦点Fi的声程li的公式为
<formula>formula see original document page 5</formula>
各阵元相对于孔径中心的发射时延为
<formula>formula see original document page 5</formula> Li是第i个焦点到孔径中心的距离，&是发射孔径中第i个阵元到孔径中心的距 离，c是声速。 计算出的各阵元发射时延与传统球面聚焦发射时延的比较如图6所示，延时值已 经量化为发射时钟周期数，本例中发射时钟为64MHz。 从图7和图8可以看出，线阵超声探头非球面聚焦的声场能量聚集在一条线上而 不是球面聚焦的一个点上。所产生的是一个比较宽的聚焦范围，而不是仅仅一个点。聚焦范 围沿着声场传播方向的扩展，可以在一定程度上补偿声场随着距离的衰减。使得超声图像 亮度更加均匀。另外，不像球面聚焦那样，只在焦点处有较好的方向性，非球面聚焦可以在 整条扫描线上都给出较好的方向性。图9给出了本发明非球面聚焦发射的成像效果图(线 阵超声探头，焦区范围0-100mm，中心频率7. 5MHz，阵元间距0. 5mm，孔径阵元数32)。
凸阵超声探头各阵元相对于孔径中心的发射时延按照如下公式计算<formula>formula see original document page 5</formula>
Li是第i个焦点到孔径中心的距离，R是凸阵超声探头的半径，e i是凸阵超声探 头圆心指向发射孔径中第i个阵元中心位置的半径与指向发射孔径中心的半径的夹角，c
是声速。 球面聚焦的方法只有一种，而非球面聚焦的方法有很多种。更一般的计算发射时
延的表达式如下所示 <formula>formula see original document page 5</formula>
式中&是发射孔径中第i个阵元到孔径中心的距离，a、 b是常数，c是声速。常 数a，b和探头的参数、频率、形状等有关。该计算公式和焦点分布无关。可以根据公式(5) 计算出一组发射时延，再经过计算机仿真(比如使用Matlab仿真程序)计算出发射声场分 布，根据描绘出的声场分布，确定参数是否满足要求。公式(5)不但适用于线阵超声探头，也同样适用于凸阵超声探头。图ll和图12给出凸阵超声探头非球面聚焦的发射声场分布。
如图10所示，发射电路220负责发射时延脉冲的产生，由控制器300计算的各阵 元发射时延参数通过发射控制器240传送到发射电路220的时延参数锁存器231到23N，在 每次发射之前，锁存器中的时延参数打入到时延计数器221到22N。时延计数器采用下行计 数，计数到0的时候即产生发射脉冲。发射脉冲通过脉冲激励电路210后，推动脉冲发射电 路200产生用来激励换能器100阵元的高压脉冲信号。由于每一个通道的时延参数都是可 以改变的，因此，产生出各阵元不同的时延脉冲，从而实现发射的聚焦。发射声场经过组织 的反射，再经过阵列换能器100的接收形成超声回波。超声回波经过T/R开关110，再经过 模拟前端电路120的放大，TGC增益补偿等，送往ADC电路130。经过数字化的超声回波信 号送往波束合成电路140。波束合成过程和发射聚焦原理相似，将各路回波信号实时动态 的进行时延调整，从而实现动态聚焦。经过波束合成后，所有阵元的回波合成为一路扫描信 号。扫描信号经过信号处理单元150和数字扫描转换单元160后，送往显示器400。下面给 出两个采用非球面聚焦方法计算的时延参数，生成的超声波声场例子
实例1 :线阵超声探头，中心频率7. 5腿z，孔径阵元数32，阵元间距0. 5mm，探头阵 元总数80，选择聚焦范围为0-100mm。发射时延的量化单位为0. 015625微妙，(也即64腿z 的计数脉冲)，按照公式(4)计算的时延经过量化为脉冲周期单位示于图7中。声场分布如 图7和图8所示。 实例2 :凸阵超声探头，中心频率3. 5腿z，孔径阵元数32，阵元间距0. 78，探头阵 元总数128，采用一般公式(5)计算凸阵探头的非球面聚焦时延。两个参数分别为a = 0. 268， b = -1. 54，声场分布如图11和图12所示。 本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明， 以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本 发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。
权利要求
一种超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其特征在于，包括步骤A1、沿超声探头孔径中心声波传播方向的中心线上设置M/2个焦点，M是探头发射孔径的阵元数目；A2、计算聚焦到每个所述焦点的超声探头各阵元相对于孔径中心的发射时延A3、根据所述发射时延控制超声探头各阵元发射脉冲的发射顺序。
2. 根据权利要求1所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其特征在于线阵超声 探头发射孔径中各阵元相对于孔径中心的发射时延按照如下公式计算A巧=(A 一 V" + A2 )/c;其中丄i是第i个焦点到孔径中心的距离，&是发射孔径中第i个阵元到孔径中心的 距离，c是声速。
3. 根据权利要求2所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其特征在于凸阵超声 探头发射孔径中各阵元相对于孔径中心的发射时延按照如下公式计算M =(丄,—+ i )2 +及2 — 2i (丄,+ i )cos《)/ c;其中丄i是第i个焦点到孔径中心的距离，R是凸阵超声探头的半径，e i是凸阵超声探头圆心指向发射孔径中第i个阵元中心位置的半径与指向发射孔径中心的半径的夹角，c是声速。
4. 根据权利要求3所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其特征在于发射时延 还可以按照如下公式计算A/, = -(a|Z, |+6X,2)/c;其中&是发射孔径中第i个阵元到孔径中心的距离，a、b是常数，c是声速。
5. 根据权利要求4所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其特征在于所述焦点沿超声探头孔径中心声波传播方向的中心线等距离分布。
6 根据权利要求5所述的超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，其特征在于对称分布的超声探头各阵元只取一半计算其相对于孔径中心的发射时延。
全文摘要
本发明公开了一种超声探头发射脉冲非球面聚焦方法，包括步骤A1、沿超声探头孔径中心声波传播方向的中心线上设置M/2个焦点，M是探头发射孔径的阵元数目；A2、计算聚焦到每个所述焦点的超声探头各阵元相对于孔径中心的发射时延；A3、根据所述发射时延控制超声探头各阵元发射脉冲的发射顺序。本发明超声探头发射脉冲非球面聚焦方法发射脉冲在一次发射中聚焦在一个连续的区域上，在一定范围内的扫描线上，声场在每一点都有较好的方向性，声场的分布不会因为离开焦点而急剧衰落，因此超声图像具有更均匀的分辨率和亮度。
文档编号G01S15/89GK101770028SQ20091023951
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者孟国海 申请人:深圳市蓝韵实业有限公司