高频医学超声成像体系与设计

第一章绪论

1.1医学超声成像

1.1.1超声及医学超声成像的基本原理

我们知道,物体机械振动时,其能量会在弹性介质中传播,称为声波物体每秒振动的次数称为频率,频率的单位是赫兹(Hz);在连续的声波上任意两个相邻的同相位点之间的距离,称为声波的波长;声波向前移动一个波长距离时所需的时间,称为声波的周期(T)用表示声波的传播速度,则波速波长频率之间的关系为:我们人类耳朵能够听到的声波的频率为20-20000赫兹当声波的频率大于20000赫兹时,人类的耳朵就听不到了,因此,我们把频率高于20000赫兹的声波称为/超声波,或称为超声超声波和普通声波本质上是相同的,它们都是一种机械振动,通常以纵波的方式在介质内传播但是,超声波的频率高,波长短,因此它具有一些自身的特性(一)频率医学超声成像中的超声频率,主要通过检测位置的深度决定频率越高,分辨率越强;但其衰减也越大,穿透力也越低(二)声阻抗声阻抗(Z)是表示介质声学特性的一个重要物理量,它反映了介质的密度(p)和弹性在密度较大介质中的传播速度比密度较小介质中的传播速度要快;在弹性较大的介质中传播速度比弹性较小的介质中要快声阻抗可以通过下式求得:超声成像时回声的强弱,取决于构成界面的各组织相互之间声阻抗插值的大小差值越大,其回声越强(三)超声场特性超声波由于频率高,波长短,它的声束具有指向性,但仍有一定的扩散角,根据超声波强度分布的不同,可分为近场(Near-fieldZone)和远

1.2本论文的研究背景意义和主要研究内容

1.2.1医学超声成像技术的优缺点

相比于X射线CT核磁共振成像等其他医学成像系统,医学超声成像具有下列优点:(一)对人体各种器官和组织显像良好,对于显示固体和液体腔隙之间的界面有特别的效果;(二)能够获得连续的图像,检查操作者可选择对诊断最有用的部分观察并实时显示,有利于快速诊断;(三)设备广泛分布并相对灵活;可制成小型式便携式超声扫描仪,在患者床边进行检查;(四)相对于其他仪器,价格便宜; (五)多采用非侵入性的方式,安全无痛,且目前未知有明显副作用医学超声成像的不足则主要在于:(一)超声对骨的穿透性较差此外,因为声阻抗的差异过大,当超声探头与要探查的组织之间有气体时超声成像质量很差;(二)由超声的探查深度有限,使得远离体表的结构成像困难;(三)获取高质量的图像需要较高的技术,此外,需要丰富的经验用于图像的识别与判断

第二章高频超声传感器的设计和制作

2.1超声传感器基本原理

超声传感器是超声诊断中的核心元件,下面将对其原理进行简单介绍压电材料与压电效应压电材料是一种能把压强振动等应力迅速转变为电信号,或将电信号转变为形变振动等信号的机电祸合的功能材料压电材料的应用己遍及人类日常生活的各个方面,特别是在信息的检测转换处理和储存等科技领域占有重要的地位压电效应的机理是:具有压电性的晶体对称性较低,当在品体特定的方向上施加压力和拉力时,品胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合,导致品体发生宏观极化,此时在品体对应的表面上会分别出现正负束缚电荷,其电荷密度与应力大小成正比反之,压电材料在电场中发生极化时,会因电荷中心的位移导致材料变形利用压电材料的这些特性可实现机械振动(声波)和电信号的互相转换图2一1为压电效应的原理图=701

2.2超声单阵元传感器

近年来新发现的弛豫铁电单品压电材料妮镁酸铅一钦酸铅(PMN-PT)和钥锌酸铅一钦酸铅=6]=71,由于具有比错钦酸铅(PzT)更高的机电祸合系数和压电系数,更低的介电损耗因子,在高频医学超声传感器领域得到了广泛的使用然而,PMN- PT的矫顽电场较低(2.5kV/cm),不适用于高驱动下的使用PMN-PT的130oc的居里温度也使得其不适用于在更高温度的工作环境中工作研究表明,通过向妮镁酸铅一钦酸铅PMN-PT中掺入妮酸铅锢(P取而得到的锯酸铅锢一钒镁酸铅一钦酸铅(P-PMN-PT)材料,在保持PMN-PT原有特性的同时,其居里温度和矫顽电场也得到了提高因此,采用PIN-PMN-PT材料制作的高频超声传感器探头,可以在更高温度和更高电压下正常工作,能够满足高频医学超声成像特别是多普勒成像方面的应用超声传感器使用的P-PMN-PT单晶材料由美国甲公司提供其特性如表2-l通过与PMN-PT单晶材料特性的比较,从中可以看出,二者机电祸合系数介电损耗等多种参数基本一致

第一章绪论………………1

1.1医学超声成像………………2

1.2本论文的研究背景意义和主要研究内容………17

1.3本章小结………………18

第二章高频超声传感器的设计和制作………………20

2.1超声传感器基本原理………………20

2.2PIN-PMN-PT超声单阵元传感器………………24

2.3PMN-pT论poxyl-3复合超声单阵元传感器………29

2.4本章小结………………30

结论

本文设计制作了两种不同类型的高频超声传感器探头,研究实现了一个通道的高频医学超声成像系统,并在此系统的基础上讨论了超声波波束形成算法的多种实现方案,最后进行了高频超声传感器探头高频医学超声成像系统和超声波波束形成接收算法实现的测试主要研究成果和结论如下:l利用新的P-PMN-PT单晶材料制成高频超声单阵元传感器实验结果表明该高频超声传感器中心频率为35MHz-6dB处的带宽为47%,此结果与以KLM模型为理论基础PiezoCAD软件模拟出来的结果符合的比较好此外,该超声传感器拥有更高的温度和电压稳定性,其纵向分辨率达到55林m,可用于高频B型超声成像以及多普勒应用2利用PMN-PT\Epoxyl-3复合材料制成高频超声单阵元传感器实验结果显示,该高频超声传感器中心频率为35MHz-6dB处的带宽为105%,纵向分辨率达到30林m,可为研制高频高带宽的超声传感器提供一定的参考和依据3首次设计实现了一个完整的64通道高频医学超声成像系统,包括数字化超声发射超声接收信号的低噪声放大多通道高速高精度数据采集多通道超声信号高速实时处理基于PCIEXPRESS总线和GPIO总线的高速数据传输等,并编写了主控PC机上的系统控制软件,以及用Matlab实现了超声图像的显示采用数字化的超声激励信号,较之传统的模拟脉冲激励方式具有频率延迟等灵活可控的优点,可在空间形成多种所需的声场;

参考文献

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