机械扇扫高频超声探头合成孔径技术的研究
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摘 要
高频超声因其精细的分辨力被广泛应用于对于人体小器官及小动物的软组织
成像，但由于工艺的原因，高频阵列式换能器难以实用化，所以高频超声成像通
常仍然采用具有固定焦点的单换能器机械扫描方式。其结果是成像区域横向分辨
力不均匀，焦区以外的信号没有聚焦，图像质量下降，离焦点越远，质量越差。
合成孔径技术实现动态聚焦，从而使单换能器机械扫描成像的分辨力达到一维阵
列式探头的水平。目前的单换能器合成孔径研究局限于直线扫描方式，而扇形扫
描的合成孔径要复杂得多。本课题研究扇形扫描合成孔径技术。
本文在介绍了线阵列电子聚焦和直线扫描合成孔径技术原理的基础上，导出
了机械扇扫的合成孔径算法，搭建了基于 PC 的实验平台，并以此为基础进行了机
械扇扫合成孔径的研究。扫描和采集系统由 LabView 控制，算法用 C++实现。实
验研究初步证明了所导出的扇扫合成孔径模型和算法的正确性。
关键词：高频超声 机械扇扫合成孔径 软件 DSC
ABSTRACT
With high resolution, High-frequency ultrasound is widely used in imaging of
superficial structures of human and animal. However, because of technological reasons
high-frequency array transducers are still under development, hence, a mechanically
scanned, single crystal transducer with a fixed focus typically is used. Consequently, the
image quality is deteriorated in the out-of-regions, only in the focal region achieving the
nominal value. To solve the problem above, synthetic aperture realizes the dynamic
focus along the track of transducer, hence, resolution of mechanical sector scanning
image achieving imaging quality of array. The current study of synthetic aperture using
single transducer is confined to linear scanning mode, while sector scanning is much
more complicated. This research is about synthetic aperture technology for sector
scanning using single transducer.
Based on the introduction of the line array electronics focusing and synthetic
aperture technology for line scanning, this paper derived synthetic aperture algorithm
for mechanical sector scanning, built the experimental platform based on PC. The
system of scanning and acquisition is controlled by labvIEW, algorithm programmed by
C++. Experimental results primarily proved the correctness of the model and algorithm.
Key Words ：High-frequency Ultrasound, Synthetic Aperture for
Mechanical Sector Scanning, Software DSC
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 高频超声成像的聚焦问题 ......................................1
§1.2 机械扫描方式下的合成孔径方法 ................................2
§1.3 本文的主要工作和意义 ........................................3
第二章 机械扇扫合成孔径算法的导出 .................................. 5
§2.1 理论基础 ....................................................5
§2.1.1 横向分辨力 ..............................................5
§2.1.2 线阵列电子聚焦 ..........................................6
§2.1.3 合成孔径波束处理 ........................................7
§2.1.4 扇扫 B 超成像 ............................................8
§2.2 机械扇扫合成孔径建模 ........................................9
§2.2.1 虚源的概念 ..............................................9
§2.2.2 机械扇扫方式下的参数建模 ...............................10
§2.2.3 合成孔径大小的计算 .....................................13
§2.3 算法思想 .................................................. 15
第三章 实验方法 ................................................... 17
§3.1 实验装置 ...................................................17
§3.1.1 LabVIEW 简介 ...........................................18
§3.1.2 扫描控制系统 ...........................................19
§3.1.3 数据存储 ...............................................23
§3.2 合成孔径算法的实现 .........................................23
§3.3 图像显示 ...................................................25
§3.3.1 扇扫 B 型超声成像 DSC 原理 ...............................25
§3.3.2 实时软件 DSC 的算法实现 .................................27
§3.3.3 准确性检验 .............................................30
§3.3.4 实验结果 ...............................................31
第四章 实验结果与分析 ............................................. 34
§4.1 仿真实验 ...................................................34
§4.2 体模实验 ...................................................36
§4.3 误差分析 ...................................................42
§4.3.1 换能器特性 .............................................42
§4.3.2 扫描机构 ...............................................43
§4.3.3 声透镜 .................................................45
§4.3.4 小结 ...................................................47
第五章 总结与展望 ................................................. 48
§5.1 实验环境改进 ...............................................48
§5.2 算法完善 ...................................................48
§5.3 系统封装和实时性 ...........................................49
附录一 合成孔径算法的核心代码 ..................................... 50
附录二 DSC 算法的核心代码 ..........................................53
附录 2.1 查找表生成器 ............................................ 53
附录 2.2 插值 ....................................................54
参考文献 .......................................................... 58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 61
致谢 .............................................................. 62
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 高频超声成像的聚焦问题
常规超声成像系统使用的超声频率一般在 5MHz 左右。采用这种频率的优点
是传播深度较大,分辨力适中，所以临床应用最为广泛。然而对一些特殊对象，常
规超声的分辨力却显得不够，主要是在结构精细的小器官的场合。为了改善空间
分辨力,常常必须提高超声频率[1]。目前，高频超声（High Frequency Ultrasound,
HFU）成像技术已成功应用于临床，应用领域包括：眼科超声成像，用于青光眼、
眼外伤、角膜病等的诊断和治疗；皮肤科临床，用于精确测量皮肤各层厚度和病
变的范围；实验用小动物无损检查，可对小动物进行超声扫描，从而进行心血管
学、肿瘤学、发育生物学的研究[2-5]。
高频超声具有精细的分辨力，但在生物组织中，由于声波的传播损耗随频率
的升高而增大，故其穿透深度也减小，如图 1.1 所示。另外，由于工艺的原因，高
频阵列式换能器难以实用化，所以高频超声成像通常仍然采用单换能器机械扫描
方式。单换能器具有固定的焦点，其结果是成像区域横向分辨力不均匀，仅仅在
焦区才能达到标称值，焦区以外的深部信号没有聚焦，图像质量下降，离焦点越
远，质量越差，如图 1.2 所示。
图1.1 频率、分辨力和探测深度的关系
机械扇扫高频超声探头合成孔径技术的研究
2
图1.2 扫描对象为相距 50um 的两根线靶，50MHz 单换能器垂直于线
靶作扇扫，图为将线靶置于不同的深度得到的 18 幅B超图组合而成。
最近有人提出利用合成孔径技术实现动态聚焦[6,8-10]，以解决上述问题，从而
使单换能器机械扫描成像的分辨力达到一维阵列式探头的水平。由于聚焦的改善
探测深度也有所增加。
§1.2 机械扫描方式下的合成孔径方法
合成孔径（Synthetic Aperture SA）技术最早在雷达系统中应用。其基本原理
是在天线平台（机载雷达、卫星或者其他运动体上的雷达）运动过程中，将每一
次发射脉冲时的天线位置视为阵列天线的单元阵子位置，将这些位置上不同时存
在的单元阵子组合起来，形成一个等效的大孔径天线，从而得到很高的横向分辨
力[7]。
合成孔径聚焦成像技术(Synthetic Aperture Focusing Technology，简称 SAFT)
是20 世纪 70 年代开始应用于超声成像。随着研究的深入，一系列改进的合成孔
径成像技术被引入[8]。
单换能器机械扫描主要有两种方式：扇形扫描和直线扫描。由于换能器的聚
焦作用，换能器在如图 1.3(a)所示的三个位置均能接收来自非焦点位置的目标点 S
反射的回波，这些来自同一个目标的回波信号在 B型扫描超声系统（简称 B超）
的图像中显示成一条弧线，如图 1.3(b)左图所示。合成孔径技术对相关的信号（弧
线上的点）进行延时叠加，最终在目标点的正确位置上成像成一个点。叠加的信
号数目由虚源声场的张角决定[11]，且不同深度的相关信号合成孔径大小通常也不
一样。采用合成孔径技术的好处是可以用单换能器，获得动态聚焦能力。直线扫
第一章 绪 论
3
描所成的像比较清晰，密度也较均匀，但在声窗受到限制的场合(如用线性扫查在
扫查心脏时,存在声束经肋骨产生强反射而难以完全达到心脏的缺点)，为了能够得
到较大的探测范围应采用扇形扫描，本课题研究的是单换能器扇形扫描合成孔径
技术。
扫描方向
S
图1.3 （a）线扫描合成孔径 （b）线扫合成孔径前后的效果图
机械扇扫合成孔径的研究需
要解决两个问题，首先是合成孔径
算法的导出，其次是实验平台的建
立。有别于雷达，超声换能器的孔
径和其扫描场相比不能等效成点
源，所以必须使用强聚焦透镜，视
其焦点为一个点源[11]，由于该点源
在空间做圆弧运动，所以算法较直
线扫描的情况要复杂得多。实验平
台中有若干问题需要解决，一是扫
描装置，二是算法实现，三是图像
显示。扫描装置涉及机械设计，其
精度直接影响到合成效果；算法实现和图像显示涉及到计算机平台的选用，通用
计算机工具丰富，编程方便，对算法的验证极为有利，但是高速软件坐标变换和
插值却是一个重大的挑战[12]。
§1.3 本文的主要工作和意义
本文共分四个部分。
第一部分介绍了课题背景。
转轴
扫描方向
F
S
-n n
0
图1.4 机械扇扫合成孔径
摘要：
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摘要高频超声因其精细的分辨力被广泛应用于对于人体小器官及小动物的软组织成像，但由于工艺的原因，高频阵列式换能器难以实用化，所以高频超声成像通常仍然采用具有固定焦点的单换能器机械扫描方式。其结果是成像区域横向分辨力不均匀，焦区以外的信号没有聚焦，图像质量下降，离焦点越远，质量越差。合成孔径技术实现动态聚焦，从而使单换能器机械扫描成像的分辨力达到一维阵列式探头的水平。目前的单换能器合成孔径研究局限于直线扫描方式，而扇形扫描的合成孔径要复杂得多。本课题研究扇形扫描合成孔径技术。本文在介绍了线阵列电子聚焦和直线扫描合成孔径技术原理的基础上，导出了机械扇扫的合成孔径算法，搭建了基于PC的实验平台，并以此...
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