CN1093806A - 具有四种类型的超声检测成象方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声检测、成象、分析处理技术领 域。其主要特点是采用对采样脉冲相对信号源电脉 冲延迟时间控制方法，实现了能同时具有A、B、C(多 断层)，三维成象，声显微多种功能。本系统包括电脉 冲发生器、信号检测电路、声探头及其扫描装置，数据 处理和显示部件四个组成部件以及与各部件相连的 数控板和相应控制软件。本系统工作模式简单，显 示、存储、处理、分析功能强，可广泛用于工业、医学各 领域。

Description

本发明属于超声检测、成象、分析、处理技术领域。

超声检测已有数十年历史，它被广泛用于工业、医学等方面的多个领域，其中应用最广的是工业A型超声探伤仪和医用B超，A超可以检测出沿声束传播方向（直线）样品的结构，B超可测出声束所在平面（剖面）内样品的结构，近年发展起来的C型超声，尤其是其高级阶段声显微镜可以测出焦点所在横断面（垂于声束）内样品的结构。由于声显微镜通常选用声波频率高，透镜聚焦性能好扫描机械精密，因而成象精度高，尤其是引进了微机技术后，使系统工作程序化，而采用直接数字成象技术，把声显微系统所得信息直接数字化，存储、显示，不仅观察方便（不会闪烁）只需扫描一次即可得到全部图象，还可方便地引入图象处理和其他信号处理技术，因而使声显微镜（SAM）还具有样品性能分析功能，使SAM成为一个检测，观察、分析多功能仪器，把C型超声检测技术提高到一个新的水平。

其中一例如本申请人的发明专利《具有新型声镜的反射式声显微镜》专利号90101053.7就是当前最先进的一种，其组成如图1所示，它由脉冲形成，声信号检测电路，声探头及机械装置，控制和显示等四个部分组成。

其中脉冲形成和声信号检测电路包括：

主脉冲源，脉冲分配器，高频振荡器，放大器，PIN调制器，环形器，匹配网络检波器，脉冲放大器，采样保持电路，采样脉冲源，视频放大器，滤波器，脉冲示波器等电路组成，上述电路均为公知常规电路。声镜头由一个玻璃金属球面换能器型声镜及耦合液一水组成。机械装置包括：三维调节工作台（水平两维角度微调器和垂直升降精密微动台），X.Y两维移动和扫描台，扫描驱动器和位置传感器，扫描驱动器包 括步进电机和驱动电路。控制和显示部件包括：微机IBM-PC/AT，标准键盘，A/D接口板（MS1215），通用EGA接口板，高分辨计算机显示终端，通用图象接口板，高分辨多灰度等级显示器及串并行接口板等。

工作过程是：

微波信号源产生连续波信号，经调制器形成脉冲调制信号，此信号经环流器匹配网络送到声镜（探头）转换成脉冲调制声波，经声镜聚焦后，进入被测样品，遇到样品缺陷，声波反射回声镜，经换能器再转换成电脉冲调制信号，此信号经匹配网络，环流器，进入微波放大器，经检波放大，采样保持（采样脉冲相对脉冲调制电信号在时间上延迟一固定时间）再放大，送入A/D板，进入微机进行数据处理后送显示器显示。

上述系统中采用声镜聚焦性能良好，无杂波干扰;采用通用微机构成机械扫描、高频部件控制和成象系统，可使声镜观察结果在任一同类微机上进行观察和分析，使用方便，还可移植已有软件，制作和维修方便，易于开发和增强功能。

但上述声显微检测系统有着一些重要不足之处：

1.由于采用机械扫描装置，只能作规则的直线扫描，因此可检测零件形状仅限于平板、园柱形，无法检测形状较复杂的零件。

2.该系统取样脉冲时间予先固定，一次机械扫描仅可得到一个横断层（即一个深度平面）的结构图象而不能得到几个横断层的图象。

3.该系统无法得到声束所在面的剖面内结构图，没有A超或B超的功能，因而也就难于得到样品内部结构的三维图象。

上述A型、B型及C型或声显微镜超声检测系统基本原理是相同的，均为：由电脉冲激励产生声波，经声探头耦合到样品中，样品内有不均匀性则会产生反射，反射声波经声探头又转换成电讯号由接收系统处理后显示。得到被检测样品内部结构特征，如图2所示。在接收端用示波器可看到波形图。示波图中右边第一脉冲是源电讯号耦合到输出端， 第二脉冲为样品表面反射波，第三、四脉冲分别为样品内部不同深度的第一、二不均匀性的反射波。

但不同类型的超声检测系统又具有不同的实现方法：一般A型超声系统能检测样品沿声束传播方向直线上的结构特征。即当声探头将声脉冲射入样品后，检测出不同时间反射声波，即得到该位置样品不同深度处的结构特征。而B超则是使深头扫描的速度与显示器光扫描同步，使探头在样品表面移动，并将所得到的反射电压去调制显示器电子注的灰度，即可得到样品沿声探头扫描轨迹与声束方向所构成的平面的结构特征。一般C超或声显微镜的声探头利用机械扫描装置可在样品表面进行X、Y方向的移动，并不断发射声脉冲，采样脉冲与声脉冲同步并予先设置一延迟时间，并将采样信号保持住，进行数字化处理，再送显示器显示，得到样品某一深度的结构图。

采用上述方法的A型和B型超声检测系统一般进行模似显示，C型超声检测系统中，由于采样延迟时间固定，因而只能得到样品一个模断面的结构图。

本发明的目的是针对上述各类超声检测系统的不足，提出一种能同时实现A型、B型、C型（多断层）三维成象功能的超声检测方法，并且根据该方法设计一种能够同时具有A型、B型、C型（多断层）、三维成象和声显微镜多种工作模式而结构又十分简单，显示、存储、处理、分析功能很强的多功能超声检测分析系统。

本发明提出一种能同时实现A型、B型、C型（多断层）三维成象和声显微功能超声系统的超声检测方法，包括以下各步骤：产生一系列电脉冲;采用声探头将电脉冲转换成声脉冲并耦合进入样品以及声探头对样品的机械扫描;对样品中产生的反射波进行采样;对采集到的信号进行保持，数字化后再进行处理显示，其特征在于还包括对上述各步骤进行自动控制的方法，即包括对信号源的频率、功率、调制宽度控制、高 放、视放增益、偏置控制、声探头扫描控制以及对采样脉冲相对信号源电脉冲延迟时间控制。对采样脉冲延迟时间程序控制是实现本发明目的的关键技术。具体实现方法包括以下各步骤：

1.将声探头置于样品某一点（A点）并向样品不断发射声脉冲;

2.设置采样脉冲延迟时间为t₁，t₂……t_n，并使两相邻采样脉冲延迟时间间隔足够小，即对A点在不同时间产生的反射声脉冲采样，得到相应电压值V_A1，V_A2……V_An并对这一系列电压值保持存储;

3.将声探头移动到B点，按上述方法对B点采样得到相应电压值V_B1，V_B2……V_Bn，控制声镜头在样品表面扫描即可得到各点位置的一系列反射波电压值。将上述所有电压值进行数字化，按不同要求进行处理显示即可分别得到样品的A型、B型、C型或三维成象内产部结构图。即提取A点位置的一系列电压值进行处理可得到样品A点位置的A型超声图，若取声探头扫描轨迹所对应的多组系列电压值进行处理，即可得到样品B型超声结构图;若提取声探头在两维坐标平面内各位置一系列电压值中具有相同延迟时间的电压值时，即可得到样品某一深度横截面的C型超声结构图;若对样品扫描得到的全部电压值全部处理后显示即得到样品内部结构三维成象图。

本发明根据上述方法设计出一种能同时实现A型、B型、C型（多断层）三维成象功能超声检测系统，由电脉冲发生器，信号检测电路，声探头及其扫描装置，数据处理和显示部件所组成，所说的电脉冲发生器由调制信号源，电调衰减器、三通、匹配网络构成，所说的声信号检测电路由高放，检波器、脉冲放大器、采样脉冲源、采样保持电路，视频放大器、偏置电压调节器、滤波器构成，所说的声探头及其扫描装置由玻璃金属球面换能器型声镜或其他探头耦合液水组成的声探头以及由三维调节工作台扫描驱动器和位置传感器组成的扫描装置，所说的数据处理和显示部件包括微型计算机、键盘、D/A、A/D接口板，显示器以及用作 显示终端接口的通用TVGA板所组成，其特征在于还包括于微机扩展槽中的一块数控板以及予先编制好的控制程序，该数控板与所说的电脉冲发生器、声信号检测电路中的各部分电路相连可实现对所说的调制信号源的频率、功率，调制宽度进行控制，对高放、视放增益，偏置进行控制，对机械扫描实现控制。其中最主要的是对采样保持电路中采样脉冲相对信号源电脉冲延迟时间的控制。所说的数控板由作为控制脉冲基本时钟的晶振、分频器、计数器、锁存器构成。数控板与微机数据总线、地址总线通过予先编制好的软件程序控制输出各种宽度的脉冲，控制取样脉冲延迟时间和其他功能。所说的声探头还可与鼠标器固定在一起，鼠标器作声探头的位置传感器。

本发明工作原理描述如下：

本系统由一声探头、脉冲形成、声信号检测电路、机械装置、控制和显示等四个硬件部件及一套专用软件组成。

工作时将声探头和样品置于合适位置，注入耦合液，启动软件，设置工作状态、参数和测试参数。此时，由调制信号源产生电脉冲信号经电调衰减器调整到合适电平，经T型转接器，匹配网络到声探头，产生超声信号，经耦合液到样品内，遇不均匀性产生反射，若有多个不均匀性则产生一串反射声波脉冲，回到声探头把反射声信号转换成一串电信号，经放大后被一串同步的采样脉冲进行采样和保持，并将保持住的信号进行数字化和存储，但此采样脉冲相对电源脉冲的延迟时间不断变化，变化值很小，而均匀。若把采样出的信号作为纵坐标，采样顺序作为横坐标显示出，就是样品不同深度产生反射声信号图，这就是A超工作。若把采样信号不作纵坐标而去调制上述显示中横坐标相应点的亮度，而若声探头移动一个距离重复上述工作，这就得到B超工作。而若声探头不仅进行行扫，还进行帧扫描，但不进行采样扫描则得到一个反射声信号的二维数组，若把此二维数组去调制显示器相应点的亮度，则 得到C型横断层图。若声探头不仅进行帧扫描、行扫描，还进行采样扫描，则可得到一个三维数组（相应于样品X，Y，Z三维空间不同点反射声信号分布图），若把此三维数组进行适当处理则可得到样品内部三维空间反射声信号分布图一即样品内部三维结构图。

本发明实现以下功能：

1.检测电路中采样脉冲相对信号源脉冲延迟时间由已有技术采用的固定（或手控）改成由微机程序控制。由于以晶振作主时钟，因此延迟时间控制精度高，可延迟时间长达10ms以上。

2.在进行测试时，在声探头机械扫描之前首先由软件控制完成取样脉冲相对电讯号脉冲延迟时间由短而长的扫描，在扫描过程中将采样保持输出电讯号直接数字化，并进行存储和显示（可进行信号幅度随延迟时间变化的A型曲线显示，或把电压去调制灰度的B型显示）。在完成一点的采样时间扫描后，进行机械扫描到新的一点再进行采样时间扫描，如此完成机械上的行扫和帧扫后，就可取得样品沿深度（Z）和X，Y三个方向上三维空间内的数据。

若探头不进行机械扫描则得到一个A型或B型显示波形成亮度线。

若探头只进行一条线的运动则可得到一个剖面的矩形B型显示图（不是扇形）。

若探头进行X，Y两方向机械扫描，则可得到多断层C型图象，若取样时间固定即可为一般C扫描或声显微镜成象。

若将多断层图象进行组合，通过软件可得到样品内部三维图象。

3.取样脉冲延迟扫描不是在一个电脉冲周期内完成而是一个延迟时间要经过几个电脉冲周期采样，然后再改一种延迟时间，再采几个电脉冲周期，这种多周期采样的好处在于可用价廉低速电路完成控制电路，而且可避免一些干扰造成起伏。

4.B超工作时，由于是一次扫描成象，故可选用鼠标器作声探头的 位置传感器，这样可实现沿任意曲线的B超扫描。

本发明的优点是：

1.仅在原来声显微镜硬件上增加一个部件，软件上增加一些内容，使一台功能单一的声显微镜成了一台具有A，B，C（多断层）三维成象声显微镜五种功能的声检测分析仪。而且还可以省去原来声显微镜需用的示波器，而且由于增加控制板基本采用低速器件，因而机器总成本和原来声显微镜价格相近。

2.和普通A超相比它具有普通A超全部功能优点（如零件形状任意），而且还具有普通A超不具备的存储（连波形）功能及在此基础上的处理功能，而且还可以用B型显示;

3.和普通B超相比：它由于采用直接数字成象技术，因而只需一次扫描即可成象，因而可以采用多种探头（如直、斜、表面波探头）频率范围也宽（如1-200MHZ）因此应用范围宽（工业、医用），精度高，扫描面可以是平面，也可以是曲面;

4.和普通C超或声显徽微镜相比，它可在三方向上检测，而且Z向扫描是程控，因而扫描速度高，而且可以三维成象。

附图简要说明：

图1为已有的声显微超声检测系统总体结构图

图2为已有技术检测方法原理示意图

图3为本发明实施例总体结构示意图

图4为本发明实施例数控板组成原理图

图5为本发明实施例控制脉冲时序示意图

图6为本发明控制程序流程框图

本发明设计出能同时具有A、B、C（多断层）声显微镜超声检测成象系统的一种实施例。该系统由脉冲形成和声信号检测电路、控制电路、声探头及机械装置、控制和显示部件等四个部分组成，如图3所示，现 结合附图对各组成部分详细描述如下：

脉冲形成和声信号检测电路包括：调制信号源，它由脉冲形成、数控合成信号发生器和调制器组成，它可产生7-101MHZ    1W功率，调制器由SW-239型高速开关作成，放大器为MHW591，此源产生短脉冲调制微波信号。电调衰减器是PAL-1型电调衰减器，控制输出电平。由三通将微波信号送入声探头和声探头信号送到接收系统。高放，检波器，脉冲放大器，采样保持电路，采样脉冲源，视频放大器，滤波器、偏置电压调节。调整电路时还可加入一台示波器。

声探头（表面波、接触或非接触）耦合液一水，被测样品台，机械装置包括：三维调节工作台（水平两维角度调整和垂直升降精密微动台;可用销售产品（如南通光学仪器厂生产ZD型微调器）或订制，X，Y两维移动和扫描台可用商售或订制，扫描驱动器和位置传感器，前者包括步进电机和驱动电路。鼠标器和声探头（用机械式鼠标器如DATA型），声探头按要求选用。

控制和显示部件包括：一台通用PC机，286，386，486皆可，A/D是A/D接口板（可自制或商售产品如MS1215）它把视放送出带有声学信息的电信号数字化送入微机存储、显示;键盘是标准微机键盘;通用TVGA板，用作显示终端接口;高分辨计算机彩色终端;D/A接口板，可自制或商售产品（MS1215）;自制专用控制接口板，如图4所示，它由微机地址、数据总线送来信号和晶振主时钟信号、分频、计数、锁存以供使用。

Ⅰ.口之一：按软件设置送出步进电机驱动码到电机电源控制电机运动（光栅扫描或移动）完成样品多点测试，

Ⅱ.口之二：送出信号控制信号源工作频率、脉冲重复频率，工作时间;

Ⅲ.口之三：送出信号经D/A控制电调衰减器调整输出电平;

Ⅳ.口之四：控制接收电路高放增益;

Ⅴ.口之五：按软件送出信号以产生采样脉冲对输出信号进行采样保持，采样脉冲比讯号源冲有一延迟，此延迟量可按软件设置或改变，若设置固定则为过去C型超声或声显微镜而按延迟时间扫描变化则采样保持输出电压代表不同深度反射声讯号大小，若横轴代表延迟时间，纵轴代表其输出电压幅度，即为A超输出波形，若把反射电压改变横轴的灰度即为B超;

Ⅵ.口之六、七：分别控制视频增益和偏置电压以使得到效果最佳之图象。

控制脉冲时序关系如图5所示：主时钟为一系列间隔均匀的脉冲，（如上图）其中相邻两个脉冲时间间隔为T中图为电脉冲波形，它和主时钟某一脉冲同步，电脉冲周期T₁为n₁个主时钟周期，即为T₁＝n₁T下图为采样脉冲波形，它和主时钟另一脉冲同步，它比电脉冲延迟T₂，T₂为n₂个主脉冲周期，即T2＝n₂T采样脉冲周期也是T₁。

本系统所用自编专用软件（THSAM-7    software）全部采用C语言编写，其流程框图如图6所示，该程序适用于任一IBM-PC及兼容机，它具有良好的人机界面，用户使用方便，有较好的容错性，程序由菜单、测试、图象处理等几大模块组成，每一模块又由多个小程序块组成，完成其各种功能。

在工作时，首先把超声检测系统处于准备工作状态。然后启动专用软件，首先选择工作状态，设置机器工作参数，测试要求，即可进行测试。若要进行三维成像，软件工作顺序是探头先进行帧扫，再进行行扫描并对该点进行采样时间扫描和取样保持、数字化，存储、显示，完成后再进行行扫描到该行下一点再进行上述采样过程，如此下去到该行完毕，进行帧扫再进行下一行的扫描，如此下去完成整幅检测。最后根据检测所得数据进行三维成像和其他图象处理。

若进行B超工作，则只进行其中行扫和采样扫描，A超工作则不进行帧、行扫描而仅进行采样扫描工作即可。

Claims (5)

1、一种能同时实现A型、B型、C型(多断层)三维成象和声显微功能超声系统的超声检测方法，包括以下各步骤：产生一系列电脉冲；采用声探头将电脉冲转换成声脉冲并耦合进入样品以及声探头对样品的机械扫描；对样品中产生的反射波进行采样；对采集到的信号进行保持，数字化后再进行处理显示，其特征在于还包括对上述各步骤进行自动控制的方法，即包括对信号源的频率、功率、调制宽度控制、高放、视放增益、偏置控制、声探头扫描控制以及对采样脉冲相对信号源电脉冲延迟时间控制。

2、一种如权利要求1所述的超声检测方法，其特征在于所说的对采样延迟时间程序控制包括以下各步骤：

（1）.将声探头置于样品某一点（A点）并向样品不断发射声脉冲;

（2）.设置采样脉冲延迟时间为t₁，t₂……t_n，并使两相邻采样脉冲延迟时间间隔足够小，即对A点在不同时间产生的反射声脉冲采样，得到相应电压值V_A1，V_A2……V_An并对这一系列电压值保持存储;

（3）.将声探头移动到B点，按上述方法对B点采样得到相应电压值V_B1，V_B2……V_Bn，控制声镜头在样品表面扫描即可得到各点位置的一系列反射波电压值。

3、一种根据权利要求1所述方法的能同时实现A型、B型、C型（多断层）三维成象功能超声检测系统，由电脉冲发生器，信号检测电路，声探头及其扫描装置，数据处理和显示部件所组成，所说的电脉冲发生器由调制信号源，电调衰减器、三通、匹配网络构成，所说的声信号检测电路由高放，检波器、脉冲放大器、采样脉冲源、采样保持电路，视频放大器、偏置电压调节器、滤波器构成，所说的扫描装置由三维调节工作台扫描驱动器和位置传感器组成的扫描装置，所说的数据处理和显示部件包括微型计算机、键盘、D/A、A/D接口板，显示器以及用作显示终端接口的通用TVGA板所组成，其特征在于还包括于微机扩展槽中的一块数控板以及予先编制好的控制程序，该数据板与所说的电脉冲发生器、声信号检测电路中的各部分电路相连。

4、如权利要求3所述的超声检测系统，其特征在于所说的数控板由作为控制脉冲基本时钟的晶振、分频器、计数器、锁存器构成。

5、如权利要求3所述的超声检测系统，其特征在于所说的声探头还可与鼠标器固定在一起，鼠标器作声探头的位置传感器。

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