CN111812622A

CN111812622A - 一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法及系统

Info

Publication number: CN111812622A
Application number: CN202010655581.8A
Authority: CN
Inventors: 吴宇鹏; 冯巧梅
Original assignee: Jurong Medical Technology Hangzhou Co ltd
Current assignee: Jurong Medical Technology Hangzhou Co ltd
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2040-07-09
Also published as: CN111812622B

Abstract

本发明公开了一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法及系统，其中所涉及的一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法，包括步骤：S11.获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；S12.将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面透镜回波对应的通道信号，存储所述通道信号；S13.分别计算所述窄脉冲波形与通道信号的频谱，根据计算得到的窄脉冲波形的频谱和通道信号的频谱计算超声探头脉冲响应频谱，得到超声探头的带宽。本发明利用探头透镜与空气声阻抗不匹配产生的透镜回波检测超声探头带宽，提高了超声探头带宽测量的精度，降低了超声探头带宽测量复杂度。

Description

一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法及系统

技术领域

本发明涉及超声探头检测技术领域，尤其涉及一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法及系统。

背景技术

超声探头是在超声波检测过程中发射和接收超声波的装置。探头的性能直接影响超声波的特性，影响超声波的检测性能。

然而在超声系统中，带宽决定了超声谐波成像以及超声造影成像的图像质量，而超声探头的带宽决定了超声系统的带宽。当前对超声探头带宽的测量主要是通过水中反射靶回波获得的。该种方法受制于声轴对齐精度以及声学非线性的影响，并不能真实反映超声探头带宽特性，进而限制了对超声探头的优化设计。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法及系统。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法，包括步骤：

S1.获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；

S2.将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面透镜回波对应的通道信号，存储所述通道信号；

S3.分别计算所述窄脉冲波形与通道信号的频谱，根据计算得到的窄脉冲波形的频谱和通道信号的频谱计算超声探头脉冲响应频谱，得到超声探头的带宽。

进一步的，所述步骤S2中超声探头表面透镜回波对应的通道信号，表示为：

s(t)＝e(t)*h(t)

其中，s(t)表示超声探头表面透镜回波对应的通道信号；e(t)表示脉冲发射器生成的窄脉冲波形；h(t)表示超声探头脉冲响应。

进一步的，所述步骤S3中计算窄脉冲波形的频谱，表示为：

其中，E(w)表示窄脉冲波形的频谱。

进一步的，所述步骤S3中计算通道信号的频谱，表示为：

其中，S(w)表示通道信号的频谱。

进一步的，所述步骤S3中计算超声探头脉冲响应频谱，表示为：

其中，H(w)表示超声探头脉冲响应频谱或超声探头的带宽。

进一步的，所述步骤S2中将所述窄脉冲波形作为发射波形之前还包括超声探头与脉冲发生器连接，所述超声探头置于空气中。

相应的，还提供一种基于透镜回波的超声探头带宽检测系统，包括：

第一获取模块，用于获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；

第二获取模块，用于将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面透镜回波对应的通道信号，存储所述通道信号；

计算模块，用于分别计算所述窄脉冲波形与通道信号的频谱，根据计算得到的窄脉冲波形的频谱和通道信号的频谱计算超声探头脉冲响应频谱，得到超声探头的带宽。

进一步的，所述第二获取模块中超声探头表面透镜回波对应的通道信号，表示为：

s(t)＝e(t)*h(t)

进一步的，所述计算模块中计算窄脉冲波形的频谱，表示为：

其中，E(w)表示窄脉冲波形的频谱。

计算通道信号的频谱，表示为：

其中，S(w)表示通道信号的频谱。

计算超声探头脉冲响应频谱，表示为：

其中，H(w)表示超声探头脉冲响应频谱或超声探头的带宽。

进一步的，所述第二获取模块中还包括超声探头与脉冲发生器连接，所述超声探头置于空气中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明直接采用探头透镜表面回波，由于探头透镜与换能器表面的声程为毫米级，故声波传播距离很短，波形畸变可以忽略，进而规避了声学非线性对带宽的影响；

2、本发明采用的透镜回波测量带宽不需要声轴对齐，直接将探头置于空气即可，消除了现有技术中声轴对齐精度对超声探头带宽测量的制约；

3、本发明利用探头透镜与空气声阻抗不匹配产生的透镜回波检测超声探头带宽，提高了超声探头带宽测量的精度，降低了超声探头带宽测量复杂度。

附图说明

图1是实施例一提供的一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法流程图；

图2是实施例一提供的超声探头带宽检测原理示意图；

图3是实施例二提供的一种基于透镜回波的超声探头带宽检测系统结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供的一种基于透镜回波的超声探头带宽检测方法，如图1所示，包括步骤：

S11.获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；

S12.将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面透镜回波对应的通道信号，存储所述通道信号；

S13.分别计算所述窄脉冲波形与通道信号的频谱，根据计算得到的窄脉冲波形的频谱和通道信号的频谱计算超声探头脉冲响应频谱，得到超声探头的带宽。

需要说明的是，本实施例的执行主体为检测系统。

在步骤S11中，获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储窄脉冲波形。

脉冲发射器是信号发生器的一种，是用来发生信号的系统，产生所需参数的电测试信号仪器。

本实施例根据所要求值对脉冲发射器中面板上各开关、旋钮进行调节，使得脉冲发射器生成的窄脉冲波形e(t)。其中调节包括频率、脉宽、延迟，过渡时间、幅度和偏移、倒置等操作。

当生成窄脉冲波形e(t)后，检测系统获取并存储该窄脉冲波形e(t)，并执行步骤S12。

在步骤S12中，将窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面透镜回波对应的通道信号，存储通道信号。

如图2所示，超声探头通过电缆等器件与脉冲发生器连接，超声探头通过电缆等器件还与示波器连接。

首先将超声探头置于空气中，并以步骤S11中生成的窄脉冲波形e(t)作为超声探头的发射波形e(t)，此时与超声探头连接的示波器采集探头表面透镜回波对应的通道信号s(t)，并进行存储，检测系统将获取示波器存储的通道信号s(t)，并执行步骤S13。

在本实施例中，超声探头表面透镜回波对应的通道信号s(t)，表示为：

s(t)＝e(t)*h(t) (1)

其中，s(t)表示超声探头表面透镜回波对应的通道信号；e(t)表示脉冲发射器生成的窄脉冲波形；h(t)表示超声探头脉冲响应；*表示时域卷积。

在步骤S13中，分别计算窄脉冲波形与通道信号的频谱，根据计算得到的窄脉冲波形的频谱和通道信号的频谱计算超声探头脉冲响应频谱，得到超声探头的带宽。

在本实施例中，基于线性系统理论，公式(1)可转换为频域形式，即：

其中，H(w)表示超声探头脉冲响应频谱的傅里叶变换形式；E(w)表示窄脉冲波形的频谱的傅里叶变换形式；S(w)表示通道信号的频谱的傅里叶变换形式。具体为：

其中，H(w)带宽即为超声探头带宽。

本实施例利用探头透镜与空气声阻抗不匹配产生的透镜回波检测超声探头带宽，提高了超声探头带宽测量的精度，降低了超声探头带宽测量复杂度。

探头透镜与空气声阻抗不匹配的原理，具体为：

声阻抗用于刻画介质对声波传播的阻碍程度，不同介质声阻抗不一样。声阻抗可表示为：

Z＝ρ·V_s

其中，ρ表示介质密度；V_s表示声波在介质中的传播速度。

当空气和透镜的密度相差很大时，空气和透镜中声波传播速度相差也很大，故探头透镜和空气的声阻抗不相等，即不匹配。

产生透镜回波的方法具体为：

透镜回波本质为声波在阻抗不匹配界面出现的声学反射现象，其原理与光学反射一致。

超声换能器通过压电效应将电信号转换为声波，并传播。发射波形电信号作用到换能器上，换能器通过逆压电效应转换为声波，声波进入透镜，在透镜与空气界面产生透镜反射波，反射波作为声波反向传播至换能器表面。换能器通过正压电效应将透镜反射波转换为透镜回波电信号，即为透镜回波。

在现有技术中通过水中反射靶回波获得超声探头的带宽，该种方法受制于声轴对齐精度以及声学非线性的影响。

声学非线性是指声波在水中传播过程中，正压和负压传播速度不一样，导致波形畸变。声波传播距离越远，声压波形畸变越严重。在频谱上的表现就是出现发射频率带宽以外的频率成分，这种现象就是非线性。它会导致测量到的带宽比实际带宽大。

然而本实施例为了保证发射波形带宽覆盖超声探头带宽，采用窄脉冲低压发射。直接采用探头透镜表面回波，探头透镜与换能器表面的声程为毫米级，故探头透镜表面回波声程很短，声波可近似为线性传播，波形畸变可以忽略，排除了声学非线性对超声探头带宽特性的影响。

本实施例采用透镜回波测量带宽不需要声轴对齐，直接将探头置于空气即可，规避了有技术中声轴对齐精度对超声探头带宽测量的制约。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

1、本实施例直接采用探头透镜表面回波，由于探头透镜与换能器表面的声程为毫米级，故声波传播距离很短，波形畸变可以忽略，进而规避了声学非线性对带宽的影响；

2、本实施例采用的透镜回波测量带宽不需要声轴对齐，直接将探头置于空气即可，消除了现有技术中声轴对齐精度对超声探头带宽测量的制约；

3、本实施例利用探头透镜与空气声阻抗不匹配产生的透镜回波检测超声探头带宽，提高了超声探头带宽测量的精度，降低了超声探头带宽测量复杂度。

实施例二

本实施例提供一种基于透镜回波的超声探头带宽检测系统，如图3所示，包括：

第一获取模块11，用于获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；

第二获取模块12，用于将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面透镜回波对应的通道信号，存储所述通道信号；

计算模块13，用于分别计算所述窄脉冲波形与通道信号的频谱，根据计算得到的窄脉冲波形的频谱和通道信号的频谱计算超声探头脉冲响应频谱，得到超声探头的带宽。

进一步的，第二获取模块12中超声探头表面透镜回波对应的通道信号，表示为：

s(t)＝e(t)*h(t)

进一步的，计算模块13中计算窄脉冲波形的频谱，表示为：

其中，E(w)表示窄脉冲波形的频谱。

计算通道信号的频谱，表示为：

其中，S(w)表示通道信号的频谱。

计算超声探头脉冲响应频谱，表示为：

其中，H(w)表示超声探头脉冲响应频谱或超声探头的带宽。

进一步的，第二获取模块12中还包括超声探头与脉冲发生器连接，所述超声探头置于空气中。

需要说明的是，本实施例提供的一种基于透镜回波的超声探头带宽检测系统与实施例一类似，在此不多做赘述。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。