医用超声线阵换能器指向性的CAD应用
作者：万奕 李智
单位：同济医科大学计算中心 武汉430030
关键词：超声线阵换能器；指向性；CAD
数理医药学杂志990239
摘要 应用CAD方法对超声线阵换能器的指向性进行了研究。
1 引言
CAD应用于超声换能器的设计与研究，具有实用意义，由于超声换能器设计与研究中会出现大量的数据需要处理，故CAD广泛应用于超声换能器的声场分布、脉冲响应、频谱分析等方面，既有仿真又有实测分析，工作速度快，结果准确。国内现在用于模拟超声场分布的软件还没有见到。
声场的指向性关系到声场辐射特性，关系到声场的分布、焦区的形状，直接影响超声探测的分辨力和灵敏度。B型超声波诊断仪已逐渐朝电子式线阵、相控阵、凸阵及凸面相控阵等多样式扫描方式发展，其核心内容之一是各种阵列超声换能器的发展，我们选择了线阵换能器，利用CAD方法进行研究。
, 百拇医药
2 线阵换能器的指向性CAD
2.1 建立模型
设有N个点声源均匀排列的线阵，阵元间距为d，若各阵元以同频率、同相位、等振幅振动时，根据指向性函数定义及叠加原理。N个阵元均匀线阵在XOZ定向平面上声压归一化指向函数为[1]：
(1)
式中，N为阵元数，d为相邻阵元中心距，λ为传播介质中波长。当介质为水时，水中声速c=1.5km/s，当换能器的工作频率为f(MHZ)时，则λ=c/f=1.5/f。
θ为平面方向与基阵面垂直线Z轴方向的夹角。
方向锐角Θ0
, 百拇医药
Θ0=2arcsin(λ/Nd) (2)
波束角Θ-3db
Θ-3db=2arcsin(0.42(λ)/(Nd)) (3)
但在实际应用时，通常是测量空间中某一距离r0处与声轴垂直的平面的声压指向性分布。如图1所示，设平面上与阵列平行的某一点到声轴线的距离为L，则在此点实测的声压指向性函数的表达方式为:
(4)
图1
2.2 指向性CAD的实现
, 百拇医药
医用超声换能器CAD系统的开发是用VB语言编写的。包括计算、绘制超声线阵换能器指向性曲线和指向性分布的实时测试两部分，可计算、绘制D(θ)-sin(θ)、D(θ)-θ、D(θ)-L曲线。其功能特点为：① 良好的操作界面，菜单位提示，操作简单。② 交互性强。使用者可从屏幕上对工作的微振子数ElementNum、相邻微振子中心距Distance以及工作频率Freq等参数灵活赋值。③ 结果完整、清晰、可分析性强。从绘制好的曲线就能对指向图的全貌，主瓣与旁瓣、栅瓣的相对大小，旁瓣和栅瓣是否存在及数量，有一个完整、清晰的认识。并可依临床超声探查的要求灵活设计，充分满足临床使用要求。
3 应用实例
指向性曲线CAD可根据用户提供的参数绘制出指向性曲线分布图，帮助用户选择出最合适的阵元数、频率及阵元间距。
当用户设置参数为：频率ferq=2.5MHz，阵元数N=6时，指向性CAD立刻绘出了阵元间距分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm时的各分布曲线。图2为D(θ)～sin(θ)的分布图，图3为D(θ)～θ的极坐标分布图。
, 百拇医药
图2 D(θ)～sin(θ)的分布图
图3 D(θ)～θ的极坐标分布图
从图2和图3可以很清楚的看出，当D=0.5mm时，存在栅瓣；当D≤0.4mm时，栅瓣消失；只有当D=0.3mm时，旁瓣最小，主瓣最尖锐，这样的阵列结构设计可望获得较好的横向分辨力，并由于超声波能量集中于主瓣上，能量耗散少，从而获得较高的空间增益。由于旁瓣小，从而将伪像的影响降低，这些都可明显改善超声成像质量。
4 结束语
CAD实践工作可以处理大量的数值计算，并可显示完整的图形曲线，可以对设计的结果直观明了，可以灵活修改设计参数，只需对程序进行重新赋值，即可立即得到结果，便于人灵活的掌握和评估换能器阵列设计的优劣，充分体现了指向性CAD的优越性。
参考文献
1 冯若等编.超声诊断设备原理与设计.中国医药科技出版社，1993，51～53.
收稿日期：1998-12-08, http://www.100md.com
单位：同济医科大学计算中心 武汉430030
关键词：超声线阵换能器；指向性；CAD
数理医药学杂志990239
摘要 应用CAD方法对超声线阵换能器的指向性进行了研究。
1 引言
CAD应用于超声换能器的设计与研究，具有实用意义，由于超声换能器设计与研究中会出现大量的数据需要处理，故CAD广泛应用于超声换能器的声场分布、脉冲响应、频谱分析等方面，既有仿真又有实测分析，工作速度快，结果准确。国内现在用于模拟超声场分布的软件还没有见到。
声场的指向性关系到声场辐射特性，关系到声场的分布、焦区的形状，直接影响超声探测的分辨力和灵敏度。B型超声波诊断仪已逐渐朝电子式线阵、相控阵、凸阵及凸面相控阵等多样式扫描方式发展，其核心内容之一是各种阵列超声换能器的发展，我们选择了线阵换能器，利用CAD方法进行研究。
, 百拇医药
2 线阵换能器的指向性CAD
2.1 建立模型
设有N个点声源均匀排列的线阵，阵元间距为d，若各阵元以同频率、同相位、等振幅振动时，根据指向性函数定义及叠加原理。N个阵元均匀线阵在XOZ定向平面上声压归一化指向函数为[1]：
(1)式中，N为阵元数，d为相邻阵元中心距，λ为传播介质中波长。当介质为水时，水中声速c=1.5km/s，当换能器的工作频率为f(MHZ)时，则λ=c/f=1.5/f。
θ为平面方向与基阵面垂直线Z轴方向的夹角。
方向锐角Θ0
, 百拇医药
Θ0=2arcsin(λ/Nd) (2)
波束角Θ-3db
Θ-3db=2arcsin(0.42(λ)/(Nd)) (3)
但在实际应用时，通常是测量空间中某一距离r0处与声轴垂直的平面的声压指向性分布。如图1所示，设平面上与阵列平行的某一点到声轴线的距离为L，则在此点实测的声压指向性函数的表达方式为:
(4)图1
2.2 指向性CAD的实现
, 百拇医药
医用超声换能器CAD系统的开发是用VB语言编写的。包括计算、绘制超声线阵换能器指向性曲线和指向性分布的实时测试两部分，可计算、绘制D(θ)-sin(θ)、D(θ)-θ、D(θ)-L曲线。其功能特点为：① 良好的操作界面，菜单位提示，操作简单。② 交互性强。使用者可从屏幕上对工作的微振子数ElementNum、相邻微振子中心距Distance以及工作频率Freq等参数灵活赋值。③ 结果完整、清晰、可分析性强。从绘制好的曲线就能对指向图的全貌，主瓣与旁瓣、栅瓣的相对大小，旁瓣和栅瓣是否存在及数量，有一个完整、清晰的认识。并可依临床超声探查的要求灵活设计，充分满足临床使用要求。
3 应用实例
指向性曲线CAD可根据用户提供的参数绘制出指向性曲线分布图，帮助用户选择出最合适的阵元数、频率及阵元间距。
当用户设置参数为：频率ferq=2.5MHz，阵元数N=6时，指向性CAD立刻绘出了阵元间距分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm时的各分布曲线。图2为D(θ)～sin(θ)的分布图，图3为D(θ)～θ的极坐标分布图。
, 百拇医药
图2 D(θ)～sin(θ)的分布图
图3 D(θ)～θ的极坐标分布图
从图2和图3可以很清楚的看出，当D=0.5mm时，存在栅瓣；当D≤0.4mm时，栅瓣消失；只有当D=0.3mm时，旁瓣最小，主瓣最尖锐，这样的阵列结构设计可望获得较好的横向分辨力，并由于超声波能量集中于主瓣上，能量耗散少，从而获得较高的空间增益。由于旁瓣小，从而将伪像的影响降低，这些都可明显改善超声成像质量。
4 结束语
CAD实践工作可以处理大量的数值计算，并可显示完整的图形曲线，可以对设计的结果直观明了，可以灵活修改设计参数，只需对程序进行重新赋值，即可立即得到结果，便于人灵活的掌握和评估换能器阵列设计的优劣，充分体现了指向性CAD的优越性。
参考文献
1 冯若等编.超声诊断设备原理与设计.中国医药科技出版社，1993，51～53.
收稿日期：1998-12-08, http://www.100md.com