用于医学超声诊断的新型阵列超声换能器的宽带基阵设计方法

论文摘要

从医学超声诊断和超声治疗仪器与医用超声换能器的相互关系可以看出，医用超声换能器的发展对提高和加速医学超声诊断和超声治疗仪器的发展(包括新型器件及整机的研制、已有仪器与设备性能的改善与提高等)都起着决定性的作用。超声成像系统的性能好坏又很大程度上决定于超声换能器的声场特性的改善。在实际应用中，医用超声诊断仪通常是以图像形式提供诊断信息的，因此图像质量的判别对整机性能和临床诊断有效性的评价都是十分必要的。随着对超声图象信息要求的不断提高，相应的就对超声声场的波束处理提出了更高的要求。波束形成是对基阵各个基元接收信号进行一系列处理的过程，从最初的将各基元输出信号简单相加，发展到对各基元信号的加权、延时、求和等处理。换能器基阵的类型也从最简单的均匀线阵列发展到了凸阵列、环阵列和相控阵等。对于最简单的基阵——均匀线阵来说，波束形成包括加权、延时、求和等处理过程，其最简单的处理就是把各个基元的输出信号作最简单的相加，但这样形成的指向性函数性能仍然不能满足医学超声在临床诊断中的需要，适用的频带相对较窄。本文采用理论分析与程序模拟相结合，从阵列换能器声场指向性进行分析，提出一种新型阵列换能器的设计方法：利用三个子阵，子阵列基元个数相同，调整基元间距，使一个子阵的指向性函数旁瓣或栅瓣对应其它子阵列的指向性函数零点，整体效应是三个子阵指向性函数的乘积。这样得到的波束系统具有更好的指向性，因而有更强的抗噪声能力；这种设计方法能保证前面很多栅瓣被其它子阵的零点抵消(被抵消的栅瓣个数由基元个数决定，基元个数越多，被抵消的栅瓣越多)。用其它子阵的零点抵消主瓣附近的旁瓣，因此在主瓣附近，旁瓣有较大的衰减。对于医学超声诊断用的新型阵列超声换能器宽带基阵的设计与制作有重要的实用意义。通过本文的研究工作，得出的主要结论如下：(1)采用三个子间距不同的阵列组成线阵列换能器，在很好的选择三个阵列间距的基础上，可以达到三个子阵列的指向性函数主瓣位置相同，旁瓣、栅瓣与零点的位置互相错开，相乘之后可以互相抵消，取得减小主瓣宽度、降低栅瓣、消除部分栅瓣、加大频率使用范围、提高分辨率的作用。(2)三个不同间距的子阵列的阵元互相错开排列在同一列上，缩小了换能器尺寸。对于两组有重叠的基元，选择移动其中一个子阵元的位置，使重叠的四个基元完全重合。这样可以减少基元数目，降低制作成本，简化制作工艺。医学超声诊断用于腹部和妇产科超声诊断的超声信号的频率范围一般为为2.5MHz～5MHz，本文中取3.5MHz。介质中的波速取1540m／s。结合阵元参数对换能器性能的影响计算，得到一组新型线阵列换能器的设计数据。(3)对每个环基元进行切向方向上的微元分割，把整个环阵列看作是无数个径向方向上的线阵列的积分，采用与线阵列设计中相同数据来制作环阵列。从程序模拟出来的声场指向性图可以看出取得减小主瓣宽度、降低栅瓣、消除部分栅瓣、加大频率使用范围、提高分辨率的作用和效果。通过对比分析选择了由两个子阵列组成环阵列，间距大的子阵列在内侧、间距小子阵列的在外侧，效果与用三个子阵列时相当。减少阵元数目，提高声场特性，节省材料和简化工艺，缩小换能器尺寸，达到了预期的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 超声诊断技术的发展现状和提高的方向
• 1.2 本论文所作的具体工作
• 第二章 超声诊断仪
• 2.1 超声诊断仪的分类
• 2.2 超声诊断换能器
• 2.3 超声诊断仪分辨力评价
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声波阵列探头的结构和特性
• 3.1 超声波阵列探头类型
• 3.2 超声相控阵
• 3.3 本章小结
• 第四章 医用超声线阵列声场波束处理方法
• 4.1 波束处理方法基础理论
• 4.2 波束处理方法的计算结果与讨论
• 4.3 波束处理方法总结
• 4.4 本章小结
• 第五章 新型线阵列换能器的设计
• 5.1 线阵列宽带基阵换能器设计方法
• 5.2 设计方法的参数取值
• 5.3 新型换能器的设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 新型圆环阵列换能器的设计
• 6.1 环状换能器声场特性
• 6.2 环阵列设计理论与数据
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士期间的研究成果