14 数字B超的原理及关键技术

14.1 关键参数

分辨率：单位是mm

纵向分辨率：脉冲频率（衍射），脉冲宽度（时间差），振铃效应（阻尼不够），被测物移动，接收增益

横向分辨率：声束直径，聚焦特性，显示器件，频率（主瓣宽度）

工作频率和脉冲重复频率(PRF)

PRF越大，探测深度越小，因为能够不被干扰的传播时间少了

脉冲宽度和振铃

脉冲宽度指脉冲从产生到截止的时间长度，不能太小，受探测深度和接收带宽的限制

振铃：阻尼不够产生的，越短越好

帧频

完成一幅图像需要的时间的倒数，记为Fve
\[ Fve = \frac{c}{2DN} \]
其中\(c,D,N\)分别是声速，每条扫描线能达到的最大深度，扫描线数目

14.2 多元线阵换能器的结构与功能

电子线阵超声探头

• 开关控制器：一个译码器，使得探头和主机的连线减少

• 阻尼垫衬：阻抗率与晶片接近，减少反射；声波衰减系数大，吸收背向信号；会降低发射效率，对于收发一体的降低灵敏度

• 换能器阵列：压电材料制成的线性换能器阵

  • 阵元数量：多，主瓣窄，横向分辨率高，但是探头变大

  • 阵元厚度：见9.3.4节

  • 单个阵元面积：

    • 辐射强度：窄，辐射弱
    • 主瓣扩散角：宽，扩散角好
    • 栅瓣：阵元中心间距\(d<0.5\lambda\)时可以消除

    综合考虑：单个阵元宽:厚 < 0.6

  • 开槽深度：开槽深互耦少，浅则干扰大，分辨率低

  

• 声学匹配层：声透镜同时与振元和人体接触，具体见三层结构

• 透镜作用：一般不用凹透镜，因为难以与人体接触，用反转材料的凸透镜

14.3 扫描技术

分为机械扫描和电子扫描；主要的扫描方式为线扫和扇扫

每次将相邻的m个阵元一起扫描，若总共n个阵元，一共产生N = n-m+1个扫描线，扫描线在激活的阵元的中轴

为什么m个一起扫，见14.2节

缺点：帧频低；扫描线减少

交错扫描：扫描线增加一倍，但干扰变多

飞跃扫描：扫描线N不变，降低前后两次扫描束的干扰

扇扫：按扇形来扫描，尾端不动；适用于心脏

线扫：平行移动；适用于观察腹部脏器

14.4 数字B超的架构和DSC技术

DSC: Digital Scan Converter，数字扫描变换器

工作原理

• A/D转换
• 波束形成：对采样信号进行延时加权，见11.4节，以达到动态聚焦的目的
• 前处理：对波束形成二次采样，图像预处理和TCG等
• 帧存储器：DSC的核心，用来存储扇形扫描的超声图像
• 像素地址逻辑单元：DSC的核心，进行空间变换（极坐标变直角坐标）
• D/A转换

回声的动态范围压缩和扩展

回声的范围很大，需要对信号预处理做非线性变换，采样小信号和大信号

AD转化

采样，量化和编码

前处理

• 二次采样：做下采样，减少数据量
• 平滑处理，滤过高频噪声
• TCG等

坐标变换和帧存储

见14.4节

后处理

• 图像插补后处理：扫描线在比较深的地方空隙大，会产生没有回声的区域，需要插值处理

  

• 灰阶处理：也就是回波强度映射为灰度

• γ变化矫正亮度

• 帧相关：几帧的均值作为输出，就是一个均值低通滤波，消除白噪声；这个可以参考 cv2.fastNlMeansDenoisingMulti()