[发明专利]一种用于控制超声相控阵连续波发射的控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及超声相控阵连续波发射的系统，尤其是一种用于控制超声相控阵连续波发射的控制方法及系统。

背景技术

超声连续波在相控阵超声成像、医学相控阵超声治疗等领域有广泛的应用。超声成像检测领域中采用连续波发射，运动目标反射超声波，由于多普勒现象产生多普勒频移，通过检测频率偏移可以得到运动目标的运动信息。医学彩色超声诊断仪中的连续波血流检测以及工业中的流速流量测量就是利用这种机理进行的检测。

连续波在医学超声治疗领域中也有重要的应用，连续波由于持续时间长，将能量传送至人体内部，利用热效应或者空化效应使局部病变组织变性灭活，达到治疗的目的。

检测和治疗应用中，焦点位置以及焦点形状控制即超声波束控制是影响检测和治疗效果的关键因素。在超声检测领域中控制超声波束聚焦于被检测目标位置，可以获得最大的回波信号，提升信噪比，检测精度和灵敏度都最大。医学超声治疗领域对于超声波束的控制就更加重要，超声的焦点必须正确的聚焦于需要治疗的病变组织，保证治疗效果，同时降低正常组织的损伤。

聚焦焦点的位置及形状通过控制发射信号的幅度和相位实现的。如图1所示，建立4所示坐标系，2所指的为具有n个阵元的阵列换能器，换能器阵元E₁～E_n,其位置分别为(x_i，y_i，z_i)(i＝1～n)。图中1所指为需要聚焦的焦点F位置为(x_f,y_f,z_f)。3所指的为阵元到焦点的距离，其中，对于第i个阵元，探头阵元位置到焦点位置的距离为l_i(i＝1～n)。如果每个阵元的激励信号都是连续正弦波，而且和第1个通道的相位差Δ满足等式①，那么所有信号在F点同相相加，幅度最大，实现聚焦。

Δ＝(-2π)·D((l_i-l₁)/(cT))①

其中：D(·)表示取一个数的小数部分。c表示超声波的声速，T表示发射连续正弦波的周期。

上述是对于单焦点的情况，可见单一的焦点，相位差可以改变焦点的位置。阵元的幅度会影响焦点的形状。对于简单的情况，均匀线阵阵元的驱动信号幅度和聚焦焦点的形状分布之间是一对傅里叶变换关系。对于更复杂的情况，中国专利200510096069.X提出了一种通过控制阵元相位和幅度同时产生多个焦点的方法。可以看到，焦点的控制能力完全由控制系统的相位和幅度的控制能力决定。对于超声连续波而言，相位和延时满足如下关系：

Δ＝Θ/((2*π)*f)②

式中，Δ为延时值，单位为秒(s)；Θ为相移值，单位为弧度；π是圆周率；f为当前连续波的工作频率。

从②中可以看到，固定f，延时值和相移存在一一对应的线性关系。因此，对于连续波，控制相移等同于控制时延，反之亦然，其次后续不加区分的使用相移和时移，二者有相同的效果。

阵元的相位和幅度控制的精度和控制方式是超声连续波系统与控制方法的关键性能，对于复杂焦点形状,例如多焦点,要求控制系统能够实现高精度的相位和幅度的控制。另外，由于相位主要对聚焦焦点的位置起作用，幅度对于聚焦焦点的形状起作用，因此要求控制方法和系统能够独立的调整相位和幅度，这样提供了最大的自由度可以独立的优化焦点的位置和形状。

目前进行相移控制方法中最简单的是利用模拟延时线实现。由于电感电容组成的网络对于交流信号具有相移作用，采用不同阻值的电感电容搭配就可以实现不同的相移。这种方法最大的缺点是实际上能用的电感电容值是离散的，并不是每个相移的每个控制点都能得到合适的电感、电容的值，而且模拟器件的值随温度时间会变化，而且器件本身具有一定的容差，这从根本上限制了这种方法在高精度相移中的应用。

利用对高频脉冲计数实现相移是另一种常用的方法。如果发射频率为f₀，采用n倍的f₀计数，通过设定初始计数值就可以实现2π/n精度的相移。这种方法的优点是简单可靠，缺点是实现的相位控制精度较低，如果需要高精度相移，计数脉冲信号的频率很高，难以实现。比如对于2MHz的发射信号，如果需要的相移精度为8位(256阶)，计数脉冲需要512MHz，如果发射频率或者相移精度进一步提高，计数脉冲的频率也会进一步升高，这都对实现的器件提出了很高的要求。因此这种方法不适合高频高精度的应用。