超声系统前端理论模拟仿真1

作者：蒋志强

  本人同意他人对我的文章引用，但请在引用时注明出处，谢谢．作者：蒋志强

 

    好像前段时间CSDN不可以贴图片，好久没写点东西了。每年两届的医博会，上周在深圳结束。这次医博会和以往一样，热闹的一号展馆，彩超设备仍是GE,飞利浦，西门子，ALOKA最强，无论技术上还是其它。其它如迈瑞（就市场分额可排在一梯队），麦迪逊，百胜，日立，东芝，蓝韵（市场做得不错），开立，东软也做得很不错。

 

 

    国内的彩超声进步很快，每次医博会都看到国内明显进步。再过两三年，国内研发人员应该可以出现一些对超声系统从算法到工程开发，从理论到系统架构能有总体把握的工程师(希望自己也能提高到那个水平，又在意淫了)，那个时候，国外厂商的产品将面临巨大的挑战，嘎嘎

 

    废话扯半天，言归正传，超声系统有个很重要的部分：前端。虽然，已经2010年，不过超声系统前端BF的理论基础，还沿用30年前的方式，这种前端BF方式仍将延续很长时间。虽然新的很酷的方式，前几年在理论上已有提出，不过距产品还有一定距离（据我所知有目前仅有欧洲一家公司使用新的BF理论基础在研发新商业产品），1979年的老方法仍然非常重要的，有时间，再讨论新的BF方式。

 

    BF即Beam Formation,就是常说的波束形成，这是超声系统最基础，也是最重要的部分之一，BF的好坏，直接决定后面的图像品质，解析度，信噪比，以及后端其它高级算法应用的好坏，所以BF这位同志是很重要的一位好同志。

 

何为波束？波束这个玩意，实际上是不存在的，是咱们想象出来的，我们控制延时曲线让它出来它才出来。BF包括至少两部分，发射及接收。发射时，声场强度的分布即发射的Tx Beam Profile,再通过接收的控制Beam Profile的-6dB线分布会进一步缩窄，也就是解析度提高，PSF的主瓣会缩小，旁瓣也会进一步降低。

 

关于BF部分，以前我导师做过理论仿真，很多理论研究更多的是在用Field II。由于这部分很重要，我觉得有必要自己写程序来模拟仿真，而且别人的模拟在实验新的BF时也不符合自己的要求，所以BF模拟我需要自己来完成，用MFC来做。

 

首先，从最简单的开始，作一个线性时不变的假设（特别针对非线性我们后面再完善），为了减少程序运算量将element简化为点（实际情况应该是个小的矩形），对于每个震源，我们假设全部一摸一样（暂不设置器件误差）。首先实验最基本情况下，发射波焦点处PSF，模拟的探头为线阵,暂不考虑衰减，假设传播介质假设为同性的水

 

模拟情况

1.线阵探头3.8CM

2.中心频率及发射频率均为5MHz

3.假设探头带宽60%

4.震源128个

5.通道数128个

6.扫描深度4CM，焦点2CM处

7.一个波的Cycle

8.F#取1.0

获取在探头中心焦点处PSF情况，如图1

 

图1

上图中128灰度的背景表示声压为0，比128更亮表示正声压，比128更暗表示负声压，为了检验我的模拟程序和与理论的情况是否相符，我把PSF处放大，见图2

 

图2

图2中，程序结果黄点即为焦点处，每个像素表示4.44e-5 m的距离，根据BF相关理论，在该情况下焦点聚声压首次过零点距离为0.000308 m，所以应该是6.93个像素.欧拉,在水平解析度上，与理论情况相符，嘎嘎

 

 

   有一个简单的问题我们可以实验一下，垂直解析度和激励电压波数的关系，对于血流成像而言，其垂直解析度很低，因为我们做自相关来做血流的话（B Flow除外），理论上需要做窄带信号，需要较多周期的脉冲波，而系统的PSF在垂直方向上近似于发射波的波形，所以用自相关来做血流的信号垂直解析度必然很差。

 

我们可以对比一下，下面的结果所有参数和上面一样，只是我在程序中调整不同的激励脉冲波数目，如图3，图4所示

 

图3

图4

   

    图3和图4分别是1个与4个激励脉冲电压情况下PSF对比，由发射处声场PSF可以验证我们之前的讨论。哈哈，还比较顺利，其实中间还是出过很多BUG，都被俺华丽的省去了^_^

 

 

    现在我们来验证下side lobe的情况，对于特定的探头，探头扫描的角度受到side lobe伪影的限制。现在我们来仿真下side lobe伪影的情况，如图5所示

图5

    为了确保在3.8CM的区域里产生side lobe伪影,在程序中我增大了每个震源的距离，将震元数减少为32，其余参数与第一个实验一模一样.哈哈，see it?理论公式推导的side lobe位置分别在左右0.0104m处，和程序中的一模一样吧，嘻嘻

 

妈妈的哟，时间不早了，准备工作应该差不多了，下次咱们可以整个模拟的B模式图像出来了，最最基本的程序原型就搭起来了。哇？就B模式图像数据么？不急哈，就只有说图像数据，包络，IQ，甚至RF数据都可以无中生有的:)

 

这部分是基础但也很重要，真正好耍的东西还在后面，如果有时间，我把真正全新的BF方式也做了，别走开，广告之后，马上回来