CN113714200B - 偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置及控制方法，所述超声装置包括集成有成像与疏通功能一体化的超声主机和超声换能器阵列，超声换能器阵列用于声‑电信号相互转换，并可依据不同的信号相位发射不同偏转角度的声束，超声主机用于驱动超声换能器阵列完成成像所需的发射与接收，以及去除管道内栓塞物超声的发射；所述控制方法为根据设置或默认参数计算处理声束的最终偏转角，进而实现相控偏转聚焦，可增强管道内栓塞物上方形成的流场以及流动导致的剪切力对管道内栓塞物的溶解作用，以达到稳定、良好的去除管道内栓塞物效果。

Description

偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置及控制方法，属于工业超声设备技术领域。

背景技术

超声波是一种振动频率超过20000Hz的机械振动，它的方向性好、声能集中，一般由超声换能器产生，可在固体、液体、气体中传播。超声波在工业、医疗等领域具有广泛的应用前景，如超声焊接、超声成像等。将多个独立的换能器组成阵列可以构成超声相控阵，按一定规则的幅度和时序激发各个晶片单元，可以实现超声聚焦，并改变焦点位置和聚焦方向。

管道是常见的液体输送装置，其内部应为光滑的表面，不会阻碍液体的流动。但实际场景中，因为制造工艺不佳、异物入侵等原因可能导致管道内异物积累而形成栓塞体。随着时间推移，小栓塞最终可能在管道的横截面区域中占据相当大的部分，从而降低管道内流体的流速，导致财产损失和其他严重后果。

传统的管道堵塞检测方法有振动分析、瞬变流法等，疏通方法有人工清理、机器人清理、疏通剂清理等，但这些方法费时费力或存在环境污染的风险。近年来，超声技术在管道栓塞的检测和清理方面得到了广泛的应用。但目前超声去除管道内栓塞物的相关方法仍存在一些不足：第一，处理设备没有紧密结合成像设备的引导，或者成像设备定位后需要更换设备进行处理，较难根据处理效果进行适时调整；第二，超声波垂直作用于管道内栓塞物，破碎效率低。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置及控制方法。

本发明采取的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其包括集成有成像与疏通功能一体化的超声主机和超声换能器阵列，所述超声换能器阵列发射时用于将电信号转化为声信号，接收时将声信号转化为电信号，并可依据所需要的偏转角和发射孔径，发射不同的超声场；所述超声主机用于驱动超声换能器阵列完成成像所需的发射与接收，以及完成去除管道内栓塞物处理所需的发射，进而实现超声成像及在超声成像引导下的相控角调整，以达到更优去除栓塞物效果。

进一步的，所述超声主机包括通道切换电路、收发切换电路、超声发射电路、超声接收电路和FPGA，所述FPGA和超声发射电路与超声接收电路相连接，并与PC通过通信接口连接；所述超声发射电路和超声接收电路与收发切换电路相连接，在超声发射和接收阶段分别选择对应的电路接通通道切换电路；所述通道切换电路与超声换能器阵列连接，用于在不同的超声工作时间阶段选择不同的超声换能器阵元。

进一步的，所述FPGA为超声电路的主控元器件，用于负责与PC通信、控制超声发射与接收；所述超声发射电路根据FPGA的控制指令，发射指定幅度和相位的超声信号；所述收发切换电路根据当前所处的超声工作阶段选择对应的电路接通；所述通道切换电路用于将超声电路与不同的超声换能器阵元连接，并以时分复用的方式实现以较少的超声电路通道控制较多的换能器阵元。

进一步的，所述超声发射电路由多个并行的发射单元构成，每个发射单元驱动一个通道的换能器，用于满足成像的发射需要，以及满足去除栓塞物时对较大功率发射的需要。

进一步的，所述超声换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射时通过驱动信号相位的不同实现声束偏转。

另一方面，本发明还提供了一种偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置的控制方法，首先超声主机工作于成像模式，根据超声成像所得的栓塞部位图像，然后得到探头表面与需要处理部位已存在的起始偏转角，再结合去除栓塞物效果最佳的声束偏转角，得到最终偏转角，并根据最终偏转角计算对应的发射孔径；最后超声主机产生控制信号并驱动超声换能器阵列发射所需的超声波，并与成像发射、接收间隔进行，其中超声波的发射包括相控聚焦和相控偏转。

进一步的，利用成像模式精确寻找到需要处理的栓塞处后，在超声成像画面上规定水平向右为x轴正方向，垂直向上为y轴正方向，标定该管道法线，并测量其与y方向的夹角，即得到探头表面与需要处理管道之间已存在的初始角度θ₀，对于初始角度θ₀，取管道法线相对于y方向逆时针旋转角度取正；然后计算不同声束偏转角情况下，栓塞物顶部因超声发射而产生的流动导致的剪切力，并得到剪切力取得最大值时的最佳声束偏转角|θ₁|，取声束垂直于x轴入射的情况为0°；剪切力|F|的计算公式为：

其中ρ₀为流体的密度，ω为超声角频率，u_x和u_y分别为流体质点在超声和管道内栓塞物共同影响下产生的x和y方向的位移，|F|表示复数量F的幅值，

表示括号内部多项式的实部，

和

分别表示u_x和u_y的共轭，u_x和u_y由超声参数、管道内流体参数和管道内栓塞物参数共同决定，并与超声声束入射角有关。

进一步的，上述剪切力公式求得的最佳声束偏转角|θ₁|是绝对值，另外可以选择经过θ₀修正后，该声束具体的偏转方向，即x轴正方向或负方向。为了避免由于最终偏转角过大，影响相控阵聚焦效果，从而降低去除管道内栓塞物效果的问题，|θ₁|的偏转方向并非一定x轴正负方向均可。当θ₀取正，即为了修正探头表面与管道已存在初始角度需要首先向x轴正方向偏转时，|θ₁|在修正基础上向x轴负方向偏转以补偿；当θ₀取负，即为了修正初始角度需要首先向x轴负方向偏转时，|θ₁|在修正基础上向x轴正方向偏转以补偿；当且仅当θ₀＝0时，|θ₁|的偏转方向是x轴正负方向均可；从而最终偏转角θ的计算公式为：

θ＝θ₀-|θ₁|,θ₀>0,

θ＝θ₀+|θ₁|,θ₀<0,

θ＝±|θ₁|,θ₀＝0.

对于θ，以垂直于x轴入射的情况为0°，若为正则表示最终向x轴正方向偏转，若为负则表示最终向x轴负方向偏转。

进一步的，根据不同的最终偏转角，开启不同的阵元个数，最终偏转角θ绝对值越大，开启阵元数量越少；以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角小于-6dB半开角，则该阵元开启，半开角α的计算公式为：

其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。

进一步的，定位栓塞区域后，设置处理发射参数，随后由超声主机自动计算最佳声束偏转角，然后修正得到最终偏转角，并根据最终偏转角计算对应的发射孔径；系统自动发射偏转聚焦超声进行处理，并间隔穿插超声成像发射与接收，最后经过设定的处理时间后完成处理。

本发明的原理及效果如下：

本发明通过调整超声入射角，以达到管道内栓塞物上方流体的切向最大流速，获得对栓塞物表面的最大剪切力，从而优化超声去除管道内栓塞物的效果。

超声波属于机械波，处于声场作用下的流体会受到超声波的作用从而被推动。在狭窄腔道环境如被栓塞物阻塞的管道中，若超声垂直入射，被推动的流体碰到障碍后自然向两边流动，从而使在管道内栓塞物表面流过的横向流体产生剪切力，温和地促使管道内栓塞物剥落溶解，以达到去除管道内栓塞物的效果，但这样去除栓塞物的速度慢。若超声并非垂直入射，而是与管道内栓塞物法向形成一夹角，则超声作用中还加入了对管道内栓塞物切向的辐射力，在某些角度下会导致更大的切向流体流速和更大的剪切力，从而增强去除管道内栓塞物效果。根据理论结果，存在一个最优偏转角，使得横向流体流速和剪切力达到最大，本发明即是利用这一结论优化超声去除管道内栓塞物的效果。

由于换能器阵列的每个阵元都有一定的宽度，在声波发射时存在不同角度上声场强度不同的固有特性。在换能器阵列进行聚焦发射，尤其是焦点处偏转角较大的时候，阵列边缘的某些阵元所发射的声束对形成良好的焦点并没有帮助，甚至会破坏主瓣外的声场分布。此时需要尽量避免过大的偏转角，所以最终偏转角的得出有三种不同的情况。同时需要根据焦点的位置控制阵元的发射状态，只打开一部分阵元进行发射，即为变孔径控制方式。

本发明首先根据超声图像得到需要处理管道表面与超声探头之间已经存在的初始角度，再计算出以超声探头与管道垂直为基准，使去除管道内栓塞物效果最佳的声束偏转角，最后修正得到各种情况下使去除管道内栓塞物效果更优的最终偏转角，以确保在管道与超声探头之间不完全平行的情况下也能达到优化的去除管道内栓塞物效果。并且规定特定的修正方式以避免过大的最终偏转角影响处理效果。

其次，本发明采用动态孔径的方法进行超声聚焦，根据具体的最终偏转角开启不同个数的阵元。在处理区域，动态孔径技术可以使声场的波束形状保持较好的形态。

附图说明

图1是联合超声成像与相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的原理示意图。

图2是联合超声成像与相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的装置框图。

图3是联合超声成像与相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的流程图。

图4是联合超声成像与相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的超声发射信号时序图。

图5是探头表面与需要处理的管道夹角不同情况的示意图。

图6是最佳声束偏转角的计算示意图。

图7是超声处理时的流体流动情况示意图，其中(a)(c)分别为无偏转和按最佳声束偏转角偏转时的流体流场，(b)(d)则显示了两种情况下管道内栓塞物上方流体的流速。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1以探头与需要处理管道初始角度为0°为例说明，超声换能器阵列紧贴管道上方包裹物边界表面(若无包裹物则直接贴在管道上方)，中间涂有耦合剂，由成像与疏通功能一体化的超声主机驱动。换能器阵列为线阵，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，换能器阵列可以发射和接收超声波，通过调整相位实现声束偏转。使用时，首先进行成像发射与接收，实时成像。通过成像图像确定探头与需要处理管道的初始角度和处理超声焦距，结合最佳声束偏转角确定最终偏转角，从而达到更优的去除管道内栓塞物效果。

如图2所示，本发明中的超声装置包括超声主机和超声换能器阵列。超声主机包括：通道切换电路1、收/发切换电路2、超声发射电路3、超声接收电路4、FPGA5。FPGA5和超声发射电路3、超声接收电路4相连接，并与PC通过通信接口连接；超声发射电路3内置多个发射电路单元，和超声接收电路4与收/发切换电路2相连接，在超声发射和接收阶段分别选择对应的电路接通通道切换电路1；通道切换电路1与超声换能器阵列连接，在不同的超声工作时间阶段选通不同的超声换能器阵元。其中FPGA5为超声电路的主控元器件，负责与PC通信、控制超声发射与接收；超声发射电路3根据FPGA5的控制指令，发射指定波形、幅度、相位的超声信号；收/发切换电路2根据当前所处的超声工作阶段选择对应的电路接通；通道切换电路1可将超声电路与不同的超声换能器阵元连接，以时分复用的方式实现以较少的超声电路通道控制较多的换能器阵元；电信号由超声换能器转化为声信号并向管道内传播，遇到声学性质不连续的组织会被反射回来，然后由超声换能器再次被转化回电信号；回波信号经过通道切换电路1和收/发切换电路2后来到超声接收电路4，在此完成滤波、数字化等处理；数字化的超声回波信号传入FPGA5，并在此被重建为超声图像；不同时序的超声图像被传送到PC并显示在显示器上，供操作者判断管道内的情况，并据此做出相应的诊断和处理操作。

如图3，联合成像与相控偏转聚焦去除管道内栓塞物的流程为：首先由超声主机工作于成像模式，根据超声实时图像观察栓塞区域，操作者在超声图像上测量焦距和初始角度。随后系统由操作者设置参数或根据默认参数自动计算最佳声束偏转角，然后修正得到最终偏转角，并根据最终偏转角计算对应的发射孔径。系统自动发射偏转聚焦超声进行处理，并间隔穿插超声成像发射与接收，最后经过设定的处理时间后完成处理。

如图4，疏通发射之间间隔穿插成像发射与接收，达到时分复用。疏通发射的连续周期数由操作者设定的发射参数决定，而成像发射周期数，由操作者设定的成像参数自动生成。在疏通超声发射的间隙，系统进行超声成像，供操作者实时观察栓塞管道的情况，以便在需要的时候调整参数。

如图5，具体阐释了三种不同情况下最终偏转角的计算。对于初始角度θ₀，取管道法线相对于y方向逆时针旋转角度为正，对于最终偏转角θ，取相对于向x轴正方向偏转为正。如图5(a)，当管道法线相对于y方向逆时针旋转时，为了恢复到垂直入射的情况，超声声束首先需要向x轴负方向偏转以补偿初始角度θ₀，因此选取最佳声束偏转角|θ₁|在垂直入射的基础上向x轴负方向偏转以避免最终偏转角θ过大。如图5(b)，当管道法线相对于y方向顺时针旋转时，为了恢复到垂直入射的情况，超声声束首先需要向x轴正方向偏转以补偿初始角度θ₀，因此选取最佳声束偏转角|θ₁|在垂直入射的基础上向x轴正方向偏转以避免最终偏转角θ过大。如图5(c)，当管道法线与y方向平行，即探头与管道不存在初始角度时，最终偏转角θ的值等于最佳声束偏转角|θ₁|，向x轴正负方向偏转均可。

如图6，当设定流体(水)、管道内栓塞物的平均参数后，取超声频率为2.5MHz，焦点处声压约为40kPa，可以得到在无初始角度情况下，去除管道内栓塞物主要驱动即剪切力的绝对值随着超声入射角的变化关系。总体而言，剪切力随着入射角的增大呈先增大后减小的趋势，当入射角等于23°时，剪切力达到最大值，因此在实例中取最佳声束偏转角|θ₁|＝23°。

根据不同的最终偏转角，开启不同的阵元个数，最终偏转角θ绝对值越大，开启阵元数量越少。以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角小于-6dB半开角，则该阵元开启，半开角α的计算公式为：

其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。在实例情况下，半开角α＝45°。若阵元数N＝32，阵元宽度L＝0.36mm，相邻阵元之间间隔dL＝0.04mm，计算得到，在最终偏转角为+23°时，序号为24～32的阵元不进行发射。

如图7，以探头和需要处理管道之间的初始角度为0°为例，图7(a)(c)分别展示了无偏转和按最佳声束偏转角偏转时，超声焦点附近管道内栓塞物上方的流体流场。图中，颜色越深表示流体流速越大，箭头则展示了流体流向。可见，无偏转时虽然能在超声波路径上造成较大流速的流动，但该流动在到达管道内栓塞物上方，即图像最下端界面时被削弱；而超声按最佳声束偏转角偏转时能在管道内栓塞物上方导致较大流速的流动。图7(b)(d)计算出了流场对应区域管道内栓塞物上方的流体流速，y轴坐标线性且保持一致。在实例所用参数情况下，若处理超声按最佳声束偏转角偏转，管道内栓塞物上方的流体流速约为无偏转时的4倍。

以上内容显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，包括集成有成像与疏通功能一体化的超声主机和超声换能器阵列；所述超声换能器阵列用于声-电信号相互转换，并依据不同的信号相位发射不同偏转角度的声束，所述超声主机用于驱动超声换能器阵列完成成像所需的发射与接收，以及完成去除管道内栓塞物处理所需超声的发射；

所述超声装置的控制方法为：首先超声主机工作于成像模式，根据超声成像得到栓塞部位图像，然后得到探头表面与需要处理部位已存在的起始偏转角，再结合去除栓塞物效果最佳的声束偏转角，得到最终偏转角，并根据最终偏转角计算对应的发射孔径；最后超声主机产生控制信号并驱动超声换能器阵列发射所需的超声波，并与成像发射、接收间隔进行，其中超声波的发射包括相控聚焦和相控偏转。

2.根据权利要求1所述的偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，所述超声主机包括通道切换电路、收发切换电路、超声发射电路、超声接收电路和FPGA，所述FPGA和超声发射电路与超声接收电路相连接，并与PC通过通信接口连接；所述超声发射电路和超声接收电路与收发切换电路相连接，在超声发射和接收阶段分别选择对应的电路接通通道切换电路；所述通道切换电路与超声换能器阵列连接，用于在不同的超声工作时间阶段选择不同的超声换能器阵元。

3.根据权利要求2所述的偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，所述FPGA用于负责与PC通信、控制超声发射与接收；所述超声发射电路根据FPGA的控制指令，发射指定幅度和相位的超声信号；所述收发切换电路根据当前所处的超声工作阶段选择对应的电路接通；所述通道切换电路用于将超声电路与不同的超声换能器阵元连接，并以时分复用的方式实现以较少的超声电路通道控制较多的换能器阵元。

4.根据权利要求2或3所述的偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，所述超声发射电路由多个并行的发射单元构成，每个发射单元驱动一个通道的换能器，用于满足成像的发射需要，以及满足去除栓塞物时对较大功率发射的需要。

5.根据权利要求1所述的偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射时通过驱动信号相位的不同实现声束偏转。

6.根据权利要求1所述的偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，利用成像模式精确寻找到需要处理的栓塞处后，在超声成像画面上规定水平向右为x轴正方向，垂直向上为y轴正方向，标定该管道法线，并测量其与y方向的夹角，即得到探头表面与需要处理管道之间已存在的初始角度θ₀，对于初始角度θ₀，取管道法线相对于y方向逆时针旋转角度取正；然后计算不同声束偏转角情况下，栓塞物顶部因超声发射而产生的流动导致的剪切力，并得到剪切力取得最大值时的最佳声束偏转角|θ₁|，取声束垂直于x轴入射的情况为0°；剪切力|F|的计算公式为：

其中ρ₀为流体的密度，ω为超声角频率，u_x和u_y分别为流体质点在超声和管道内栓塞物共同影响下产生的x和y方向的位移，|F|表示复数量F的幅值，

表示括号内部多项式的实部，

和

分别表示u_x和u_y的共轭，u_x和u_y由超声参数、管道内流体参数和管道内栓塞物参数共同决定，并与超声声束入射角有关。

7.根据权利要求6所述的偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，当θ₀取正，即为了修正探头表面与管道已存在初始角度需要首先向x轴正方向偏转时，|θ₁|在修正基础上向x轴负方向偏转以补偿；当θ₀取负，即为了修正初始角度需要首先向x轴负方向偏转时，|θ₁|在修正基础上向x轴正方向偏转以补偿；当且仅当θ₀＝0时，|θ₁|的偏转方向才是x轴正负方向均可的；从而最终偏转角θ的计算公式为：

θ＝θ₀-|θ₁|，θ₀＞0，

θ＝θ₀+|θ₁|，θ₀＜0，

θ＝±|θ₁|，θ₀＝0.

对于θ，以垂直于x轴入射的情况为0°，若为正则表示最终向x轴正方向偏转，若为负则表示最终向x轴负方向偏转。

8.根据权利要求6或7所述的偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，根据不同的最终偏转角，开启不同的阵元个数，最终偏转角θ绝对值越大，开启阵元数量越少；以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角小于-6dB半开角，则该阵元开启，半开角α的计算公式为：

其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。

9.根据权利要求1所述的偏转聚焦去除管道栓塞物的可视化超声装置，其特征在于，定位栓塞区域后，设置处理发射参数，随后由超声主机自动计算最佳声束偏转角，然后修正得到最终偏转角，并根据最终偏转角计算对应的发射孔径；系统自动发射偏转聚焦超声进行处理，并间隔穿插超声成像发射与接收，最后经过设定的处理时间后完成处理。

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