超声相控阵二维面阵实现三维成像研究进展

    在超声检测中,超声相控阵技术由于可以灵活实现声束的偏转和聚焦而得到广泛的关注和研究。根据阵列的排列形式,大致可分为一维阵列和二维阵列两类。一维阵列的聚焦声场是片状的,能够得到二维图像。随着检测要求和标准的提高,人们不再满足于获得二维断层图像。获得三维图像,尤其是实时三维成像,是医学和工业超声检测的新要求。

    三维超声成像的概念最初由Baun Greewood在1961年提出。他利用平行的二维超声图像,用叠加的方式得到了器官的三维图像。此后974年Dekker提出采用机械臂逐点扫描的方法获得三维图像;1976年Moritz提出利用回声定位方法获得三维图像^[1]。无论是机械臂逐点扫描还是二维图像重建三维图像,都存在以下问题:

    (1)需要机械扫描、偏转或电子切换获得多个二维图像或体数据,扫描时间长。

    (2)合成三维图像需要复杂的后续重建,而且重建出的三维图像空间分辨率低^[2]。  

    二维阵列相控阵系统是解决超声实时三维成像的有效手段。它能在两个横向方向上聚焦,聚焦声场为针状或棒状,检测的空间分辨率大大提高。相控阵系统不需要移动探头即可在特定空间内自由地偏转和聚焦,极大改善了声场的可达性和检测速度。成像不再局限于一维阵列的B扫描方式,可以实现B扫描、C扫描以及三维扫描等多种成像方式。

    基于二维阵列的三维超声成像系统最早由美国Duke大学的Von Ramm和Smith教授研制成功,主要用于心脏的成像[3,4],并于1998年推出了世界上第一台商用实时三维超声成像系统。此后的工作主要集中在稀疏阵列的设计^[5]、相位的校正、新型阵列探头的制作和不同的应用研究上。     二维阵列与一维阵列相比较,在实现上主要有如下的困难^[3,4,6]:     (1)二维阵列具有很多的阵元数目,从而需要更多的发射/接收通道,大大提高了系统的复杂性。     (2)二维阵列在加工过程中,由于阵元数目大,单阵元的尺寸小,加工和连接较困难。     (3)二维阵列单个阵元尺寸小、阵元灵敏度低(接收到的信号弱,信噪比差)、等效电容小、等效源阻抗大且信号的检出和放大要求较高。  

  1　栅瓣的产生原理及阵列设计准则的推出     声场的表达不同于一般的时域信号,是空间2时间函数f(x,t)[7]。阵列接收空间声场的情况类似于通过阵列窗口来观察声场分布。如果阵列连续无限大,声场的所有信息都可以观察到。但是阵列的孔径一般是有限长的,可以理解为通过一个有限长窗口来观察声场分布,观察的信息是有限的。对于连续有限长的阵列,图1阵列的输出信号(观察到的信号)为z(x,t),即