一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高超声成像及处理技术中阵列聚焦效率的方法，特别是一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法。

背景技术

传统的超声加热多由单个曲面换能器完成，曲面换能器的几何焦点处即为超声聚焦的焦点。曲面换能器的焦点是固定的，在加热过程中，只能通过机械位移的方法，通过移动换能器的空间位置来移动焦点。精密的机械位移机构体积庞大且制造不便，利用超声换能器阵列进行电子聚焦可以解决此问题。利用环形超声换能器阵列进行声学聚焦需要准确计算声波从换能器阵元到达待加热目标所需要的时间，并据此给换能器阵元设置不同的发射延迟，以保证超声信号能量聚集在待加热目标位置。若要计算声波从换能器阵元到达待加热目标所需要的时间，需要准确知道换能器阵元的位置。但由于超声换能器阵列多为人工装配，装配完的换能器阵元较其设计总会存在或大或小的位置偏差。另外，由于待加热物体往往不是简单的均质物体，而是由多种介质构成。不同介质有着不同的声速，且不同换能器阵元发射的声波到达待加热位置的路径也不同，不同路径上的介质分布往往也不同，如此便会导致声波到达时间出现偏差。

换能器的装配误差和待加热物体介质不均匀所带来的误差在环形超声换能器阵列聚焦时均会带来不同程度的聚焦偏差，导致聚焦效率大打折扣，需要更长时间才能达到目标加热温度，且有可能使焦点区面积扩大，发生过热，故需要采取措施以减小聚焦偏差，提高环形超声换能器阵列聚焦效率。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法，包括如下步骤：

步骤1，将环形超声换能器阵列设置为单发多收模式，换能器阵元按照顺序逐一发射声信号，采集各换能器阵元接收到的回波信号；

步骤2，在换能器阵列的中心位置附近设定范围内的非中心位置处，按所述环形超声换能器阵列轴向固定一根细线，将换能器阵列设置为自发自收模式，换能器阵元按照顺序逐一发射声信号，采集换能器阵元接收到的经细线反射的回波信号；

步骤3，根据步骤1和步骤2中所述的单发多收模式和自发自收模式下采集得到的两组回波信号，计算换能器阵元之间的实际距离d、换能器阵元和细线之间的实际距离L，并据此计算各换能器阵元的位置，完成环形超声换能器阵列的位置的标定；

步骤4，使用环形超声换能器阵列对待加热目标进行超声成像，分析成像结果，对换能器阵元的发射延迟进行调整，减小聚焦偏差，最终实现所述的提高环形超声换能器阵列聚焦效率。

进一步的，步骤3中所述的计算换能器阵元之间的实际距离d、换能器阵元和细线之间的实际距离L，具体包括：

步骤3-1，计算声信号的飞行时间；

步骤3-2，结合声信号传播的速度SOS，计算换能器阵元之间的实际距离d，以及换能器阵元和细线之间的实际距离L。

进一步的，步骤3-1中所述的计算声信号的飞行时间TOF，具体包括：

TOF＝Num×dt

其中，Num代表声信号从发出到被接收的时间点数，计算方法为：

Num＝t

其中，t

其中，Freq代表声信号的频率，n代表一个周期内的采样点数。

进一步的，步骤3-1中所述的计算换能器阵元之间的实际距离d，具体方法包括：

d＝TOF

其中，TOF

进一步的，步骤3-1中所述的计算换能器阵元和细线之间的实际距离L，具体方法包括：

其中，TOF

进一步的，步骤3中所述的完成环形超声换能器阵列的位置的标定，具体包括：

计算换能器各阵元的实际角度θ

以所述环形超声换能器阵列圆心为原点在环形超声换能器阵列所在平面建立平面直角坐标系，(Posx

换能器阵元i和换能器阵元j的空间距离D

其中，(Posx

换能器阵元i在环上的实际半径R

R

其中，R代表理想情况下各换能器阵元在环上的半径，ΔR

由自发自收数据计算得到L

半径偏差ΔR

换能器阵元位置坐标(Posx

Posx

Posy

环形超声换能器阵列中各阵元的真实位置(Posx

进一步的，步骤4中所述的进行超声成像，是指利用环形超声换能器阵列重建目标空间的B型超声图像，具体为环形超声换能器阵列的波束形成法和延时叠加法。

进一步的，步骤4中所述的分析成像结果，是指通过待加热区域超声图像I的像素最大值Q，来判断聚焦偏差的大小，即像素最大值Q越大则此时的聚焦偏差越小。

进一步的，步骤4中所述的对换能器阵元的发射延迟进行调整，是指在换能器阵元i的延迟参数Dly

设Dly

Dly′

将超声聚焦时各换能器阵元的发射延迟更新为Dly′，即完成对换能器阵元的发射延迟进行调整。

进一步的，步骤2中所述的非中心位置处，即固定细线的位置与环形换能器阵列的中心位置不重合，且所述细线的位置与所述中心位置至的距离为1mm以上；

所述的中心位置附近，即所述细线的位置与所述中心位置至的距离为5mm以下；

所述的细线直径为所述超声换能器阵列所发出的超声信号波长的1/8和1/16之间。

有益效果：

本发明公开了一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法，通过采集环形超声换能器阵列单发多收、自发自收两组回波信号，计算获取换能器阵元的位置，减小由于换能器装配误差而导致的聚焦偏差。通过分析换能器对待加热物体的超声成像结果，对换能器阵元的发射延迟进行调整，以减小由于待加热物体介质不均匀而导致的聚焦偏差。

与直接对目标进行加热相比，使用本方法可以有效提高环形超声换能器阵列的聚焦效率，同时提高了焦点区域控制的准确程度，弥补了现有技术的不足。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明涉及的环形超声换能器阵列加热装置示意图。

图2是本发明提高环形超声换能器阵列聚焦效率流程示意图。

图3是环形超声换能器阵列单发多收模式侦测换能器阵元距离示意图。

图4是环形超声换能器阵列中心附近放置细线自发自收侦测换能器阵元和细线距离示意图。

图5是一个实施例中聚焦效率提升效果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1，将环形超声换能器阵列设置为单发多收模式，换能器阵元按照顺序逐一发射声信号，采集各换能器阵元接收到的回波信号。在换能器的中心位置附近固定一根细线，换能器设置为自发自收模式，换能器阵元按照顺序逐一发射声信号，采集换能器阵元接收到的经细线反射的回波信号。根据单发多收、自发自收两组回波信号，计算出换能器阵元之间的实际距离d、换能器阵元和细线之间的实际距离L，由d、L可计算各换能器阵元的位置，完成环形超声换能器阵列的位置标定，减小由于换能器装配误差而导致的聚焦偏差。

步骤2，使用环形超声换能器阵列对待加热目标进行超声成像，分析成像结果，对换能器阵元的发射延迟进行调整，以减小由于待加热物体介质不均匀而导致的聚焦偏差，最终达到提高环形超声换能器阵列聚焦效率的目的。

步骤1所述的单发多收模式，即第i个超声换能器阵元发射声信号，其余所有换能器阵元均处于接收状态，接收换能器阵元i所发射的声信号。

步骤1中所述的自发自收模式，即第i个换能器阵元发射声信号，在发射声信号后该换能器阵元立刻处于接收状态，接收声信号经细线反射而得到的回波，其他所有换能器阵元在此过程中均停止工作。

步骤1中所述的在环形换能器的中心位置附近固定一根细线，该细线的方向应与环形换能器轴向方向平行，固定细线的位置不能与环形换能器的中心位置重合，至少保持1mm距离，且固定细线的位置与环形换能器的中心位置需在5mm内。

步骤1中所述的固定一根细线，细线直径对回波信噪比密切相关，若细线的直径过小，将难以获取高信噪比的回波信号，若细线的直径过大，根据回波无法准确计算换能器阵元和细线的距离，影响换能器位置矫正结果。细线直径应在超声信号波长的1/8和1/16之间，从而使换能器阵元能侦测到高信噪比的回波信号。

本发明步骤1中所述的计算出换能器阵元之间的实际距离d、换能器阵元和细线之间的实际距离L，其计算公式为：

先根据单发多收、自发自收两组回波信号计算飞行时间(Time of Flight，TOF)。

TOF＝Num×dt

其中Num、dt的计算公式为：

Num＝t

t

d＝TOF

本发明步骤1中所述的计算各换能器阵元的位置，完成环形超声换能器阵列的位置标定，其具体方法为：先计算出换能器各阵元的实际角度θ

其中，Posx

(Posx

R

由于L

换能器阵元位置坐标(Posx

Posx

Posy

环形超声换能器阵列各阵元的真实位置(Posx

所述的声信号传播的速度与介质温度有关，故需要测量介质温度以确定声速。由于介质温度会受到室温影响，所以在测量之前要将装置放在室温环境下保持一段时间，在测量温度时，需要在温度计读数长时间保持稳定之后才能记录，以减小声速的偏差。在测量时，需要对装置的多个位置进行测温来确定介质声速，以减小介质温度不均匀所带来的误差。

本发明步骤2中所述的使用环形超声换能器阵列对待加热目标进行超声成像的方法为波束形成法和延时叠加法。波束形成法，是利用所述环形换能器发射不同时延的超声波信号，使所有超声波信号能够聚焦在一个区域。延时叠加法，是对应波束形成法的图像重建方法，在接收超声波信号延时叠加时，延时是对应波束形成时的发射超声波信号延时，通过延时后的叠加能够重建出发射超声波信号的聚焦成像区域。

延时叠加波束形成可以被描述为：

其中n＝1,…,N，u＝1,…,U,Dly

本发明步骤2中所述的分析成像结果，对换能器阵元的发射延迟进行调整是指：提取待加热区域超声图像I的像素最大值Q。在换能器阵元i的延迟参数Dly

实施例：

本发明实施例公开了一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法，在本实施例中，环形超声换能器阵列被用于对特定区域进行加热，加热的目标温度为42.5℃。在本实施例中，使用本发明提出的方案可以有效减小环形超声换能器阵列的聚焦偏差，可以有效提高环形超声换能器阵列的聚焦效率，减少到达加热目标温度所需要的时间，且能提高焦点控制能力，避免对待加热目标区域外的其他部分造成伤害。

本实施例中所用到的环形超声换能器阵列加热装置如图1所示。其中，环形超声换能器阵列由四个四分之一环拼接组合组成，每个四分之一环含有16个阵元，换能器的中心频率为1MHz，带宽为200KHz，单个换能器的尺寸为4mm×4mm，材质为PZT。按照换能器制造之时的设计，理想情况下(内部无装配误差时)每两个相邻的换能器阵元位置成5°夹角，边上的两个换能器阵元和四分之一环边缘间隔7.5°，各换能器阵元的角度可由下式说明：

i代表换能器阵元的编号，且1≤i≤64。R代表理想情况下各换能器阵元在环上的半径，本实施例中使用的换能器R＝50mm。ΔR

R

θ

θ

如图2所示，本发明实施例公开了一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法，包括：

步骤1，将环形超声换能器阵列设置为单发多收模式，换能器阵元按照顺序逐一发射声信号，采集各换能器阵元接收到的回波信号。在换能器的中心位置附近固定一根细线，换能器设置为自发自收模式，换能器阵元按照顺序逐一发射声信号，采集换能器阵元接收到的经细线反射的回波信号。根据单发多收、自发自收两组回波信号，计算出换能器阵元之间的实际距离d、换能器阵元和细线之间的实际距离L，由d、L可计算各换能器阵元的位置，完成环形超声换能器阵列的位置标定，减小由于换能器装配误差而导致的聚焦偏差，其具体方法为：

将环形超声换能器阵列浸没并固定在水箱中，待装置在室温中静置30分钟后，使用塑料棒去除水中附着在换能器阵元上的气泡。将换能器设置为单发多收模式，即换能器阵元i发射声信号，其余63个换能器阵元均处于接收状态，接收换能器阵元i所发射的声信号，如图3所示。由于换能器阵元之间的最大距离约为圆环直径，故将采样深度设置为比圆环直径略大l

其中，λ代表发射声信号的波长，n代表单个周期的采样点数。接收换能器阵元记录从信号发射时刻开始的Num

在换能器的中心位置附近固定一根细线，该细线的方向应与环形换能器轴向方向平行。固定细线的位置不能与中心位置过近，需要留出1mm以上的距离，且固定细线的位置不能与环形换能器的中心位置过远，距离保持在5mm内，此时，由余弦定理可知理想情况下各换能器阵元到细线的距离平方L

在本实施例中所使用的细线直径为0.08mm，材质为金属。将换能器设置为自发自收模式，换能器阵元i发射声信号，在发射声信号后该换能器阵元立刻处于接收状态，接收声信号经细线反射而得到的回波，其他63个换能器阵元在此过程中均停止工作，如图4所示。由于细线与圆心的距离在5mm以内，故将采样深度设置为比圆环直径大l

由回波数据可以计算出飞行时间(Time of Flight，TOF)，其计算公式为：

TOF＝Num×dt

其中Num、dt的计算公式为：

Num＝t

t

声信号在水中传播的速度可由SOS表示，由于其数值与水温Tem有关，故需要测量水温以确定声速。水温的测量方法为：在换能器中心位置附近、换能器阵元附近各放置一支温度计到水中，待温度计读数稳定不变20分钟以上，进行读数并记录。换能器中心位置附近温度计度数表示为Tem

SOS的计算公式为：

SOS＝1402.5+3.15Tem-0.037Tem

结合SOS和TOF，可计算出换能器阵元之间的实际距离d，换能器阵元和细线之间的实际距离L，其计算公式为：

d＝TOF

各换能器阵元位置偏差的具体计算方法为，先计算出换能器各阵元的实际角度θ

其中，Posx

(Posx

由于R

至此，θ′

Posx

Posy

环形超声换能器阵列各阵元的真实位置(Posx

步骤2，使用环形超声换能器阵列对待加热目标进行超声成像，分析成像结果，对换能器阵元的发射延迟进行调整，以减小由于待加热物体介质不均匀而导致的聚焦偏差，最终达到提高环形超声换能器阵列聚焦效率的目的。其具体方法为：

将环形超声换能器阵列固定在基准物上，在换能器阵列与待加热区域的接触部位涂抹充足的声学耦合剂，以保证良好的声耦合。利用环形超声换能器阵列重建待加热区域的B型超声图像，其具体重建方法为基于前述环形换能器的波束形成法和延时叠加法。波束形成法，是利用所述环形换能器发射不同时延的超声波信号，使所有超声波信号能够聚焦在一个区域。延时叠加法，是对应波束形成法的图像重建方法，在接收超声波信号延时叠加时，延时是对应波束形成时的发射超声波信号延时，通过延时后的叠加能够重建出发射超声波信号的聚焦成像区域。

在本实施例中，在波束形成发射过程中，发射声信号的声压场可以表示为：

其中，(x,y)代表了超声传播区域中任意一点的坐标，t代表时间，K代表超声换能器阵元的数量，在本实施例中K＝64，w

每个换能器阵元发射的声压都可用超声换能器阵元处的声压值进行空间时间移位后来表示；在接收端，超声换能器阵元接收到的回波信号，根据声波传输时间的不同进行延时补偿。延时后的信号再进行加权叠加形成一个波束形成信号，加权求和时使用的权重形成了接收端的孔径函数。

在本实施例中，延时叠加的过程如下：当u个聚焦后的波束通过64个超声换能器阵元发射时，最终重建出的超声图像是由每一组接收到的声压信号组合而成的，每一组结果都来自于θ

其中n＝1,…,N，u＝1,…,U,Dly

提取待加热区域的超声图像I的像素最大值Q，Q越大说明此时的聚焦偏差越小，Q的计算公式为：

Q＝max(I)

将换能器阵元i的发射延迟表示为Dly

Dly

其中，T

在换能器阵元i的延迟参数Dly

Dly′

利用ΔDly在对待加热区域进行超声聚焦加热的过程中对聚焦误差进行补偿，将超声聚焦时各换能器阵元的发射延迟更新为Dly′，提高了环形超声换能器阵列聚焦效率，在待加热区域进行加热的过程中使待加热区域更快地到达目标加热温度42.5℃，提高了超声聚焦加热的效果，同时提高了焦点区域控制的准确程度，提高了加热的安全性。

如图5所示，直接加热10分钟后，待加热区域中心的温度为41.65℃，使用本方法加热10分钟后，待加热区域中心的温度为42.58℃。与直接对目标进行加热相比，使用本方法可以有效提高环形超声换能器阵列的聚焦效率，同时提高了焦点区域控制的准确程度，弥补了现有技术的不足。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机，MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种提高环形超声换能器阵列聚焦效率的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。