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1、 答辩委员会主席 : 委员1: 委员 2: 委员3: 委员 4: 委员5: B型超声诊断仪设计及编码激励方法研究论文作者签名 :4, 指导教师签名； 论文评阅人 1: 评阅人 2: 评阅人 3: 评阅人 4: 评阅人 5: 答辩日期 : 签 字 曰 期 年 月 曰 签字日期： 0 月 日 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作及取得的 研宄成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发 表或撰写过的研宄成果，也不包含为获得 浙江大 学 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研宄所做的任何贡献均己
2、在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江大学 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙 江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学 位 论 文 储 签 名 导 师 签 名 ：浙江大学硕士学 位论文 致谢 I 致谢 两年的研究生生活即将结束，时间匆匆，却让我在求是园里收获了回忆和成 长。 首先，要感谢我的导师胡大可教授，他严谨的治学态度和广博的学识给了我 很大的影响，使
3、我开始了对超声系统的认识和探索，同时也要感谢他为我创造了 良好的科研环境；在我研究生期间，给予了许多学术上的指导、学习上的点拨和 关于人生的谆谆教诲，并对胡老师豁达积极的生活态度 十分的钦佩，我要向我尊 敬的导师表迗最衷心的感谢！ 我还要感谢实验室的师兄师姐们，在我初入求是园时，李鹏师兄与我一起讨 论超声成像系统，并建立了深厚的友谊；汪洋旦，樊艳红，章瑶瑛教会了我很多 知识，给予我无私的帮助；还要感谢李赫，周兴平，祁香冰，李育林师兄，在我 们一起的研究生生活中互相鼓励，给予我最美好的回忆。 还要感谢我的父母和程娟，他们在我困难时、低落时、无助时鼓励、支持我， 他们无微不至的关怀，我将铭记终生
4、*。在完成论文之际，由衷的向他们表示深深 的谢意。 最后，还要感谢那些曾经关心我、帮助我的朋友 们！ 黄伟华 2008 年 5 月于求是园浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 超声诊断技术不仅具有安全、无损等优点，其优越性还在于诊断参数的多样 性和工程实现上的灵活性。同时，超声理论与技术快速发展，使超声设备不断更 新，超声诊断已经成为预测和评价疾病及其治疗结果不可缺少的方法。 本文首先对超声波进行了描述，阐述了超声发展的历史，超声成像系统发展 的历史。接着阐述了超声波的基本 的物理基础，描述了超声成像系统所要达到的 动态范围、图像分辨率等主要指标。然后，总结了传统单脉冲数字超声成像系统 的设计与实
5、现过程，并详细描述了每个模块的作用和实现方式。接着讨论了时间 带宽积 （ TB积）的概念，并利用模糊函数作为依据，讨论了脉冲编码的选择。 最后利用计算机仿真设计实现了具有编码压缩的超声成像系统，通过肾脏仿真图 片分析了其图像质量的提升，得到了高时间带宽积的脉冲压缩超声成像系统可以 大幅度提高系统的信噪比的结论。 关键词：超声成像，单脉冲激励，模糊函数，编码激励，计算机仿真浙江大学硕士学位论文 Abstract t Abstract The ultrasound imaging system is safe, injury free; and its superiority also consi
6、sts in selecting multiplicity diagnosis parameters and realizing the project flexibility. With the development of Ultrasound theory and technology, ultrasound devices are updating increasingly. Ultrasound Diagnoses has become an important means of forecast, pre-diagnoses and post-diagnoses the disea
7、ses. The thesis firstly describes the ultrasound wave, a brief history of the development of the ultrasound and the ultrasound imaging system. Then the thesis depicts the basic physics foundation of the ultrasound, describes some main parameters to implement an ultrasound imaging system such as dyna
8、mic rage and the resolution of the system. On the next part, the dissertation describes the design and the implementation of the conventional single pulsed digital ultrasound imaging system by dividing the whole system into several functional subsystems. A concept of the Time Bandwidth Product is pr
9、oposed. And by using the Ambiguity Function, the dissertation discussed the selection of the code. Finally, a simulation program of code excitation ultrasound system is designed and leads to the result that a code with high Time Bandwidth Product would greatly enhance the quality of image for the gr
10、eatly increasing of the Signal to Noise Ratio of the digital ultrasound imaging system, which is in the end proved by the emulated kidney image. Keywords: Ultrasound Imaging, pulse excitation, Ambiguity Function, coded excitation, simulation of computer ill浙江大学硕士学位论文 IV 目次 i 射 . I t f . n Abstract .
11、 . . Ill 1 仑 . 1 1.1 超声及超声成像系统的发展概况 . 1 1.2 课题研究内容和任务 . 4 1.2.1课题研究内容 . 4 1.2.2课题任务 . 5 2医学超声成像系统概述 . 7 2.1医学超声 . 7 2.1.1医学超声的物理基础 . 7 2.1.1.1超声波的一般概念 . 7 2.2超声诊断技术及分类 . 9 2.3脉冲回波法超声诊断系统 . 10 2.3.1脉冲回波法超声系统的工作原理 . 10 2.3.2脉冲回波法超声系统的显示方式 . 11 2.3.2.1 A 型显不方式 . 11 2.3.2.2B 型显示方式 . 12 2.3.2.3M 型显示方式 .
12、12 2.3.3脉冲回波法超声系统的特征与主要参数 . 12 2.3.3.1 工作周期比 TW . 12 2.3.3.2工作频率及系统带宽 . 13 2.3.3J 设备分辨力 . 14 3 单脉冲数字超声成像系统设计 . 16 3.1 超声成像的数学基础 . 16 3.1.1 聚焦与变迹技术 . 16 浙江大学硕士学位论文 目次 3.1.2 空间脉冲响应 （ Spatial impulse responses) . 17 3.2 可编程逻辑器件及 FPGA . 18 3.3 FIELD II 概况 . 19 3.4 发射与接收 . 20 3.4.1 概述 . : . 20 3.4.2 发射与接
13、收过程的相关仿真 . 21 3.5 波束合成 . 24 3.5.1 波束合成的模块实现 . 24 3.5.2 波束合成的计算机仿真 . 27 3.6 信号处理 . 31 3.6.1 动态滤波技术 . 32 3.6.2 回波信号的包络检波 . 32 3.7 图像处理 . 33 3.7.1 压縮动态范围变换 . 33 3.7.2 灰阶变换 . . . 35 3.73 时间滤波 . 35 3_7.4 空间滤波 . 37 3.7.5 帧相关 . 38 3.8 DSC 变换 . 40 3.9 电影回放 . 42 3.10 系统实现结果 . 45 4 编码激励超声成像系 统的计算机仿真 . 48 4.1
14、顏 . 48 4.2 编码的种类 . ： . 48 4.2.1 . 49 4.2.2 频率编码 . 50 4.3 模糊函数 （ AmbiguityFunction) . 50 4.3.1 信号的调制 . 51浙江大学硕士学位论文 目次 VI 4.3.2 匹配滤波与脉冲压缩 . 52 4.3.3 TB 积和信噪比增益 . 52 4.3.4 衰减介质中的匹配滤波 . 53 4.3.5 模糊函数的性质 . 56 4.3.6 波形的选择一基于模糊函数的讨论 . 56 4.3.6.1 不同激励信号的模糊函数图形 . 56 4.3.6.2 激励信号的分类与选择 . 59 4.4 匹配滤波与失配滤波 . 6
15、0 4.5 仿真结果 . 62 5 总结与展望 . 65 参考文献 . 66 作者简历 . 68浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1.1超声及超声成像系统的发展概况 超声成像的发展是和雷达以及声呐的发展紧密联系的 1。声音是具有有限传 输速度的机械波，这个认识使得人们认为光也是具有类似的性质。伽利略曾经尝 试测量光速，但是由于条件的限制，他得出了一个结论：如果光速不是无限大 , 它肯定非常地快速。接下来，有关电磁波的最早实验产生了利用电磁波回波来测 量距离的方法，通过这些实验，人们预言电磁现象会以波的 形式进行传递，同时 它的速度和光的速度接近。而这个预言在 30 年以后，也就是 18
16、96 年才被赫兹利 用精确的实验证实，也是这个实验，成为射频通信时代的开端。 1912 年，在著名的泰坦尼克号悲剧之后，引入了利用声脉冲侦测大的冰山 的方法。在第一次世界大战期间，法国人 Paul Langevin 成功的将脉冲回波方法 用于潜水艇的探测，他的发明成为今天声呐技术的基础。到了第二次世界大战， 雷迖和声呐技术的发展开始进入成熟期。战后，这些技术开始转为民用。 如果要将声呐技术用于医疗领域，声呐的频率必须高于 1MHz,然而对于 声 呐探头，要迗到这个頻率是很困难的，因为这些探头是利用磁弹性材料制作的， 他们的工作频率一般低于 100kHz。 频率高于 1MHz 的超声波可以利用石
17、英和其 他的压电材料来产生。当时，这些材料的机电耦合特性太差了以至于不能达到超 声诊断波的能量需求。 1942 年，美国人 Wainer 和 Salomon 发现了铁电陶瓷 (ferroelectric ceramic) BaTi03,当它被极化的时候，这种材料的机电耦合特性 可以被用来有效地产生和检测兆赫兹范围的超声脉冲。在二战期间，这种脉冲被 用来检测飞机材料的缺陷，为现 代超声无损检测技术奠定了基础。 二战以后，一些基本的超声原理被应用于医学领域 1947 年在美国丹佛， 还是放射医学实习生的 D. Howry 开始了他利用导航声呐装置和放大器的超声成 像实验。在 1948 年到 49
18、年期间 ， Howiy 和工程师 Bliss 起开发了脉冲回波技 术。一年之后，他们得到了一幅水中物体的横截面图像。 1952 年 Howiy 在 J. of浙江大学硕士学位论文 1 绪论 2 Laboratory and Clinical Medicine 杂志上发表了他的第一篇研究成果。 几乎和 Howry同时，美国明尼阿波利斯的 Wild开始使用导航声呐开始了研 究。刚开始的时候，他对不同的组织的区分感兴趣，例如检测癌变姐织。他和工 程师 Reid 起开发了胸部检测器，受检病人胸部损伤检测的正确率可迗百分之 九十。 1953 年， Leksell 使用脉冲回波技术得到了闭合头频的脑图；同
19、年， Edler 和 Hertz 使用这个技术记录了心脏瓣膜的运动并用来诊断心脏病；三年后，脉冲回 波技术被 Mundt 和 Hugnes 用于眼科； 1955 年， I. Donald 和工程师 T. G. Brown 首先将超声应用于产科。 1957 年，日本人 Satumora 第一次利用反射型超声的多普勒频移性质测量人 体血流速度。而第一个脉冲多普勒设备在 1967 年到 1969年间由巴黎的 Pemmeau， 西雅图的 DonaldBaker 和英格兰的 Wells 推出。下表 1.1 是超声成像系统发展的 特点的简要描述。 随着临床诊断的需求和科学技术的进步，尤其是高速度、大容量和
20、计算机技 术的发展，使得超声成像技术在三十年间发展迅速。同时，由于超声检测具有无 损、高灵敏度、应用广泛、成本低和操作方便等 特点，其普及程度已逐渐成为四 大医学影像之首，这主要变现为如下两个方面： 2 1. 高密度多阵元、高频和宽頻的多样化的探头群： 阵元数已从 32、 64 发展到 96、 128,甚至高迗 256 和 512。阵元数的增加， 有利表 1.1不同时代的超声成像系统特点 年代 进 展 1970 至 1975 非实时 B 模式和 M 模式 1975 至 1980 实时二维组织成像 1980 至 1985 利用脉冲和连续波来进行心脏诊断的多普勒系统 1985 至 1990 实时二
21、维彩色血流速度系统 1990 后 3D 成像及计算机分析诊断系统 1995 后 数字系统及大规模集成电路的应用 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 3 于改善声束产生和接收的控制模式，增加图像的超声线密度，从而提高空间 分辨力和信息量。 常规探头的中心频率，已从 2.5MHz 提高到 3.0MHz， 甚至 3.75MHz,明显 提高了空间分辨力和图像的质量。高频探头的频率，已经高达 40MHz， 可以清 晰的显示皮肤和血管壁的结构。 探头的頻率已从 1MHz 的 窄带向 3MHz 的宽带，甚至 8MHz 以上的超宽頻 发展。较好的解决了分辨力和灵敏度的矛盾，能提供更丰富的信息，明显增加了 图像的对
22、比分辨力，有利于鉴别、发现微小和早期的病变。 最佳俎合的多匹配层技术，提高了超声的传输效率和信噪比，有利于改善灵 敏度和图像质量。 丰富的探头群，有利于应用范围的扩展和检查质量的提高。目前的体表探头， 有适用于心脏的扇扫探头（包括相控阵、机械扇扫和小凸阵 )； 有适用于腹部、 妇产科的凸阵探头；有适用于小器官的高频线阵殫头。此外，还有许多特殊探头 和经腔内探头，如穿刺用的穿刺探头；测量 颅脑血管的 TCD探头；测量阴茎海 绵体血流的 MIDUS探头；检查心脏的经食道探头；检查消化系统的胃内窥镜探 头；泌尿科的经直肠探头；妇产科的经阴道探头以及腹腔镜探头和经血管内探头 等等。 2. 多通道、多种
23、聚焦技术和宽频技术： 数字化声束形成技术可以采用多种聚焦方法，改善全程声场时空特性，提供 高质量的声束，使系统的分辨力接近理论水平。该技术还保证获取信号的准确性 和系统的稳定性，为获取宽带、高动态范围的信息提供了必要的条件，并有利于 系统的小型化。 随着高速 A/D 变换器的发展和多通道技术的出现，实现前端 数字化，即射 频信号模数转换，在一定程度上解决了带宽、动态范围、噪声、暂态特性之间的 矛盾，有可能获得较真实和完整的回声信息。 宽频技术，使超声系统有足够宽的频带覆盖从组织结构反射的宽带信号，以浙江大学硕士学位论文 1 绪论 获取较完整的信号，信息量丰富，有利于获得好的姐织鉴别力。 彩色多
24、普勒血流图、彩色能量图、组织多普勒成像、二次谐波成像以及组织 和血管的三维成像等新技术、新成像模式，明显提高了诊断水平和扩 大了应用范 围。 1.2课题研究内容和任务 1.2.1 课题研究内容 1. 全数字超声成像系统的实现 由于电子技术的迅速发展，目前超声成像系统正在从传统模拟系统向数字系 统全面升级。和传统的模拟超声成像系统相比，全数字超声成像系统具有以下优 点： 系统配置更加灵活 通过可编程现场门阵列 FPGA 的使用，对系统的配置和改变更加方便，可以 灵活改变回波通道的数量、滤波器的结构，图像处理方法等。由于配置的灵活性， 理论上可以根据任一种超声探头做出相应的调整而不用对原有 PCB
25、 板进行 大规 模调整，大大缩短了产品开发的周期。 具有更加精细的回声延时控制 传统的模拟超声成像系统采用延时精度很差的模拟延时线的方法来对接收 的回波数据进行延迟，而全数字超声成像系统通过对 FIFO(先进先出存储器 )的 读写控制操作，可以精确的控制延时步进，其精度取决于电路的时钟频率。 具有更好的便携性 近年来大规模集成电路的发展，已经可以使庞大的电路系统集成在一个芯片 当中，采用最新的数字芯片，可以缩小电路版的面积，从而使得整体系统的体积 变得更小，有利于系统的小型化，便携化，这是对实际的超声诊断具有重要意义浙江大学碩士学位论文 1 绪论 5 2. 利用脉冲编码方法来改善成像质量 由于
26、存在超声空化效应和热效应的影响，超声检测的瞬时声功率已经接近安 全检测的最大值，而平均声功率却非常小。为了提高图像质量，可以提高超声 检 测的平均声功率的大小；提高平均声功率的大小，可以延长超声激励的时间。通 过合理安排延长了激励时间的超声脉冲的频率和相位，可以更有效的利用超声系 统的带宽，同时提高系统的信噪比，提高最终的图像质量。 1.2.2 课题任务 1. 全数字超声成像系统的设计、实现 根据超声成像系统所要达到的分辨率，帧频，深度等指标需要设计不同的子 模块来进行数据处理，这些模块全部都利用 FPGA 实现。这些逻辑模块为： 波束合成模块 波束合成模块完成输入信号的延迟、动态聚焦和动态变
27、迹等动能，是全数字 超声成像系统的主要特征。波束合 成模块需要完成 16 通道 32 路回波信号的合成、 24cm的 1009 个点的动态聚焦、 64点的动态变迹、完成 7. 8125ns 的延迟精度。 信号处理模块 信号处理模块主要完成信号的动态滤波及包络检波的任务。由于人体是一个 频率衰减的目标体。因此，随着探测深度的增加，动态滤波器的中心频率要不断 向下移，从而获得良好的回波信息。 目标体信息是幅度信息，被调制在以探头频率为中心频率的回波信号中。包 络检波的任务是完成把目标体的信息从载波中提取出来。 图像处理模块 对包络检波后的图像数据进行图像处理，主要涉及到空间滤 波、时间滤波、 帧相
28、关、对数压缩、灰度映射等过程。其目的是为了获得高质量的超声图像，达 到美化图像的作用。 O 数字扫描变换模块 （ DSC 模块） 如果使用线阵探头，可以把图像处理模块后的数据直接输出到显示器上。但 是对于凸阵探头，就必须要做 DSC 变换：目的是把凸阵探头接收到的极坐标数据 浙江大学顼士学位论文 1 绪论 6 变换为显示器的直角坐标数据，才能不失真的显示图像。 电影回放功能 根据现代超声诊断的需要，需要把诊断图像事先存储在存储器中，然后即可 在不使用探头的情况下不断的播放诊断过程，对于诊断具有重要的意义。而为了 实现电影回放的功能， 需要事先将超声数据存储在一片 SDRAM 中。因此，电影回
29、放功能的主要设计任务就是设计一个 SDRAM 控制器 ,从而完成对存储器的读写和 刷新等操作。 2. 编码激励方法的理论分析 由于信噪比，探头频率是超声诊断系统的重要参数，直接关系到图像质量。 因此，提高信噪比，提高探头頻率可以极大的提高超声的成像质量。编码激励方 法研究的任务就是找到一种方法对编码进行选择并验证其对最终图像质量的影 响。 3. 利用 Fieldn 进行编码激励超声成像系统的仿真 Filedll 已成为国外大多数学者对超声理论研究、超声系统设计的重 要工具。 本论文通过 Field II 对全数字超声成像系统中的信号进行仿真；设计编码激励系 统的方案，编写编码激励信号并进行编码
30、激励系统的仿真，最后通过仿真结果说 明编码激励方法的优势。 浙江大学硕士学位论文 2 医学超声成像系统概述 7 2医学超声成像系统概述 2.1医学超声 医学超声实际上是指生物医学超声工程，它是以超声波为被探测信息载体或 能量源，以电子学、计算机技术及图像处理等各种技术为依托，用于解决生物医 学中的有关问题，特别是为人类自身的保健事业服务。按照对超声波应用的不同， 医学超声可以大致分为超声诊断技术和超声治疗技术。其区别在于，超声诊断技 术将超声波作为被检测信息的载体而超声治疗技术将超声波作为能量源。 3 2.1.1 医学超声的物理 基础 超声波是一种机械波，机械振动与波动是医学超声的物理基础。医
31、学超声工 程中，主要涉及到几何声学和物理声学中的一些基本定律和概念。如几何声学中 的反射、折射定律及波形转换，物理声学中的波的叠加、干涉、散射、绕射及惠 更斯原理等。 2.1.1.1 超声波的一般概念 (一）机械振动 物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附近作往复周期性运动，称为机械振动。 质点受到一定力的作用，离开平衡位置，产生一个位移。该力消失后，由于弹性 作用，它将回到平衡位置，并且还要越过平衡位置，移动到相反方向的最大位移 位置，然后再回到平 衡位置。这样一个运动过程称为一个全振动。超声波是一种 机械波，其波阵面经过的质点，都会产生该质点的往返运动。振动物体完成一次 全振动的时间，称为振动
32、周期，用 T 表示，单位为秒；振动物体在单位时间内完 成全振动的次数，称为振动频率，用 f 表示，单位为赫兹。周期与频率互为倒数 关系。 (二） 机械波 振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两类，机械振动在弹 性介质中的传播过程，称为机械波，如水波、声波、超声波都是机械波。产生机 械波浙江大学硕士学位论文 2 医学超声成像系统概述 8 必须具备两个条件： 1.要有机械振动的振源； 2.要有能传播机械振动的弹 性介 质。波动中介质各质点并不随波前进，只是以交变的振动速度在各自的平衡 位置附近往复运动。 (三） 波长、频率和波速 1. 波长 同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离，
33、称为波长，用人表示。波 源或介质中任意一个质点完成一次全振动，波正好前进一个波长的距离。 2. 频率 波动过程中，任一给定在 Is 内所通过的完整波的个数，称为波动频率。波 动頻率在数值上与振动频率相同，用 f 表示。 3. 波速 波动在弹俾介质中，单位时间内所传播的距离称为波速，用 c 表示。在人体 的介质中，机械波的波速平均为 1540m/s。 (四） 超声波的叠加、干涉、绕射和惠更斯原理 当几列波在同一介质中传播并相遇时，相遇处质点的振动是各列波引起的分 振动的合成，任意时刻该质点的位移是各列波引起的分位移的矢量和。相遇后的 各列波仍保持它们各自原有的特性不变，如频率、波长、振幅等，并按
34、照自己原 来的传播方向继续前进。 波的干涉是波动的重要特征，两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相 位差恒定的波相遇时，由于波叠加的结果，会使得某些地方的振动始终相互加强， 而另外一些地方的振动始终相互减弱或完全抵消，这种现象称为波的干涉。 波在传播过程中遇到 障碍物时能绕过障碍物的边缘继续前进的现象，称为波 的绕射或衍射。波的绕射现象是波动的又一个重要特征。绕射本领的大小取决于 障碍物尺寸 D 和波长的相对大小。因此，频率越高的超声波，波长越小，其所 能探测到的物体尺寸越小，这是影响超声系统分辨力大小的一个重要因素。 如前所述，波动是振动状态的传播。如果介质是连续分布的，那么波动介质 中任
35、何一个质点的振动都将引起邻近质点的振动，邻近质点的振动又会引起较远 质点的振动。一次波动中任何振动质点都可以看作是新的波源，即：介质中波动 传播到浙江大学硕士学位论文 2 医学超声成像系统概述 9 的各点都可以看作是发射子波的波源， 在其后任意时刻，这些子波的包迹 就是新的波阵面，这就是惠更斯原理。在超声成像系统中，发射后的超声波的回 波，可以看成是目标体为振源“发射”的超声波。 2.2超声诊断技术及分类 具有不同密度、不同声速等理化特性的生物组织器官，对外来的超声波能量 将产生反射、透射或折射、散射、衰减和非线性参量等效应，运动组织还将产生 多普勒效应。提取、分析或显示这些生物组织对超声波作
36、用后的信息，就可以察 知生物组织的内在特性。因此，我们可以利用超声波来传递人体内部信息，从而 达到无创伤诊断的 目的。 超声诊断设备有多种分类方孝，其中一种是根据设备工作原理来分，主要有 如下三类： 1. 脉冲回波法。诊断信息产生于超声经人体组织界面的反射和散射后的信号 强弱，这是目前使用面最广的一类诊断设备。这类设备通常又可以按照其显示方 式分为 A 型、 M 型和 B 型三种。 2. 多普勒法。诊断信息产生于超声经运动着的人体组织界面和血流细胞所反 射和散射后的超声信号的頻移，或者说多普勒頻移。目前这类设备的品种较多， 像胎儿听诊器、血流检测仪、多普勒诊断系统和彩色血流显像仪。 3. 透射
37、法。诊断信息产生于超声透射过人 体殂织后的幅度及相位变化，如超 声全息、投射性超声 CT、 投射型超声显微镜等。浙江大学硕士学位论文 2 医学超声成像系统概述 2.3脉冲回波法超声诊断系统 2.3.1 脉冲回波法超声系统的工作原理 如前所述的脉冲回波法超声系统的工作原理可由以下的方框图来描述 : 由发射电路中的时序电路发出的触发脉冲使发射电路产生一个窄脉冲，其脉 冲宽度通常是换能器工作频率倒数的一半左右，即 T * 忐 . 其中： X。为发射脉冲的宽度， fQ为换能器的工作频率。 换能器受到脉宽为 TQ的电冲击之后，由其逆压电效应而产生衰减的超声波。 换能器中带负载的压电振子等效为一个低 2
38、回路，因 此通常 只有几个震荡周期就 使幅度衰减到 20dB 以下。下一个发射脉冲将在数百微秒以后才到来，其时间间 隔将不少于超声到达最大探测深度所需时间的两倍，即 T . (2-2) C 其中： T 为最小允许的发射脉冲周期， Rmu 为最大探测深度， c 是超声在人体内 的传播速度。 超声在人体软组织中的平均传播速度为 1540m/s,相当于 lcm 深度来回传播 所需时间为 12.99 叫。最大探测深度为 20cm 时， T 应大于 26 ns。 在本论文所述 的传统单脉冲数字超声系统设计中，采用的最大深度为 24cm。 图 2.1 脉冲回波法超声诊断系统原理 图 浙江大学硕士学位论文 2 医学超声成像系统概述 在接收到超声回波信号以后，要对超声信号进行波束合成，其原理类似于将 光线透过一个凸透镜，将其汇聚于一点。根据惠更斯原理，在反射过 程中，人体 俎织的每一个质点，均可以看成是一个振源，因此此振源“发射”的超声波到达 探头不同阵元的时间是不同的。在技术上，我们通过对不同振源到迗探头的信号 加以延迟，就可以使得不同振源的信号保持在同一时刻的同相性，然后把这些信 号相加得到波束合