医用超声阵列换能器波束容差分析与变迹处理
王 波 万明习 王素品 陈忠民 摘要: 用指向性函数研究了医用超声阵列换能器在具有幅度误差、相位误差及阵元失效情况下的波束特性,提出并应用幅度加权变迹处理、相位变迹处理和孔径变迹处理方法来改善阵列换能器的波束指向性.计算结果表明:相位误差和高斯分布幅度误差使旁瓣增大、栅瓣增多、波束特性变差,它们对声场特性的影响由误差的大小及分布情况共同决定.幅度加权变迹处理和孔径变迹处理都可以有效地抑制旁瓣,改变指向性;一个恒定孔径发射,可变孔径接收超声阵列系统存在一个最佳接收孔径,此时旁瓣最小.这一结论对医学超声和工业超声等领域都具有重要应用价值. 关键词: 线列阵;指向性函数;容差分析;变迹处理 中国图书资料分类法分类号: R197.39 Tolerance Analysis and Apodization Processing of Medical
Utrasound Array Transducer Wave Beams Wang Bo,Wan Mingxi,Wang Supin,Chen Zhongmin (Xi′an Jiaotong University,Xi′an 710049, China) Abstract:The directivity function is used for determining the beamforming wave properties of ultrasound array for medical use. It is affected by efficacy loss of elements, amplitude and phase error distribution of array elements. A method is developed by combining amplitude weighting, phase and aperture apodization for improving beam patterns. The computed results show that (1) Phase error and Gauss distribution amplitude error give rise to larger sidelobes, more grating lobes and deteriorating beam quality whose effect to sound field properties was determined by error distribution. (2) Amplitude weighting and phase apodization processing can restrain sidelobes and improve the directivity effectively. (3) In an ultrasound array system with fixed transmitting aperture and changeable receiving aperture, there exists a best receiving aperture, at which sidelobes are the lowest. This conclusion is important to the medical and industrial application of ultrasonic. Keywords:linear array;directivity function;tolerance analysis;apodization processing
超声仪器具有安全和无创伤的优点,因而在临床疾病诊断中得到了广泛的应用.B超和超声多普勒血流成像仪是目前使用最广泛的超声诊断仪,能够提供人体生理信息的二维分布,并能进行实时动态观察,因而在临床诊断中很受欢迎.但目前超声图像质量较其它一些成像方式(如CT)的图像还有很大差距,从而影响了诊断的可靠性,同时也限制了其应用范围.
影响图像分辨力最关键的因素是超声波束的指向性.目前,对各种医用超声阵列换能器的波束特性还缺乏系统的研究,电路和改进没有明确的理论依据,有一定的盲目性,从而很难使图像质量有较大的提高.因此,计算超声阵列换能器的指向性分布具有理论上及实际上的价值.国外有人曾就幅度误差和相位误差对相控阵的影响做过研究[1,2],但到目前为止尚未见到有关幅度加权变迹处理、相位变迹处理及孔径变迹处理对超声阵列波束特性影响的专题研究结果.
本文以目前超声阵列换能器中使用最广泛的线列阵为基础,推导出在不同情况下的波束指向性函数,并由此计算和讨论了它们的超声阵列波束特性[3~5]. 1 关键理论公式 1.1 无偏转和有偏转指向性函数
线列阵由N个阵元组成,阵元间距为d1,每个阵元是一个矩形活塞面,阵元长为L,宽为d2,超声波长为λ,因此一个线列阵可以看作为矩形活塞面和点源线列阵的复合阵.由复合阵的乘积可以得到无偏转线列阵的指向性函数为