【医学图像处理】超声成像之超声射线束的产生

摘要

• 压电效应是换能器晶体的特性。电流产生运动，反之亦然。
• 压电晶体的厚度= 1/2 x所需的λ
• 底材的机械系数（Q值）
• • 高Q值=低阻尼，长脉冲
• • 低Q值=重阻尼，短脉冲
• 脉冲重复频率（PRF）=帧频x每帧行
• 声波束行进的距离=时间x速度x 0.5
• 视角深度= 0.5 x声速/ PRF
• 近场距离=（传感器直径）2 /4λ
• 阶梯式线性阵列增加了近场距离，可用于电子聚焦光束

压电效应

具有压电晶体的换能器用于产生超声波束。这是一种将机械能转换为电能，反之亦然的材料。这意味着通过材料传递电压会导致其振动，从而产生声波。类似地，返回的回声波使晶体振动，产生可以测量的电压。通过这种方式，物料充当接收器和发送器。声波的强度或压力的变化与产生的电压成正比。因此，系统可以将回波的强度表示为亮度点（B模式成像）。

自然/共振频率

如果两个相同波长的声波以相同相位交叉，则它们会合并并被增强（相长干涉）。但是，如果它们处于不同的相位，则它们会相互抵消（相消干扰）。

当频率产生的波长等于压电盘厚度的2倍时，换能器将产生最大的输出。这是因为随着材料向后和向前脉冲，由于它们正好同相，它会增强波浪。因此，晶体被切成所需波长的一半厚度。

压电盘的厚度= 1/2λ（所需波长）

脉冲持续时间

推动换能器后，它会持续短时间振动，强度呈指数下降（阻尼）。机械系数（Q值）反映了衰减信号的速度。

具有较高Q值的材料会长时间振动，即具有减震效果，并且脉冲会持续较长时间。Q值低的材料会迅速衰减振动，脉冲持续时间更短。

脉冲重复频率（PRF）

扫描线密度是换能器发出的每帧采样患者组织的光束数量。

典型的数字是每帧100行。为了获得足够的实时图像，必须每秒扫描足够多的帧。通过脉冲重复频率（PRF）测量重复这些帧的速率。它取决于声音的速度（假定为〜1500 m / s），要成像的结构的深度以及每帧发出的脉冲数。

PRF =帧频x每帧行数

例如，每秒30帧，每帧100行，每秒钟需要3 kHz的PRF

PRF较长的原因是：

• 成像的结构更深（返回所需的时间越长，脉冲的侦听阶段就越长）
• 每帧更多行

景深

在每个脉冲中，必须传输光束，到达要成像的结构，并且回波必须返回到换能器，然后才能生成下一个脉冲。到达结构所需的时间，光束的行进距离和光束的速度通过以下公式相互关联。

距离=时间x速度x 0.5 (（除以2来回旅程）)

每个脉冲必须到达最深的组织，然后在生成下一个脉冲之前返回换能器。可以用以下等式计算可以用特定PRF成像的组织深度：

视角深度= 0.5 x声速/ PRF

换能器阵列

单换能器

当单个换能器产生光束时，它开始时是平行光束（近场）。这是光束中最有用的部分。然后，光束发散（远场）​​。此近场的长度取决于换能器的宽度。传感器越宽，近场越长。

近场距离= D^2 /4λ (D =传感器直径, λ=波长)

为了获得尽可能长的近场距离，我们必须使换能器变宽。但是，分辨率将降低，整个换能器阵列的宽度将大得多。为了克服这个问题，使用了阶梯式线性阵列。

阶梯线性阵列

许多小型换能器彼此相邻放置。然后将它们作为一组激活以加宽光束并产生更长的近场距离。然后，初始换能器被停用，而下一个换能器被激活，使光束沿其移动。通过这种方式，可以在比单独激活的宽换能器更小的空间内产生更多的宽光束。

该线性阵列也可以用于电子聚焦光束。首先激活最外面的换能器，然后激活两个最里面的换能器，然后激活最里面的等。通过这种方式，将发射的光束聚焦到特定点。换能器接收回波的顺序也可以集中在优先接收特定深度的信号上。这是将焦点设置在超声仪上时发生的情况。

20200608