作者：蔣志強

??本人同意他人對我的文章引用，但請在引用時注明出處，謝謝．作者：蔣志強

??? 好像前段時間CSDN不可以貼圖片，好久沒寫點東西了。每年兩屆的醫(yī)博會，上周在深圳結(jié)束。這次醫(yī)博會和以往一樣，熱鬧的一號展館，彩超設(shè)備仍是GE,飛利浦，西門子，ALOKA最強，無論技術(shù)上還是其它。其它如邁瑞（就市場分額可排在一梯隊），麥迪遜，百勝，日立，東芝，藍韻（市場做得不錯），開立，東軟也做得很不錯。

??? 國內(nèi)的彩超聲進步很快，每次醫(yī)博會都看到國內(nèi)明顯進步。再過兩三年，國內(nèi)研發(fā)人員應(yīng)該可以出現(xiàn)一些對超聲系統(tǒng)從算法到工程開發(fā)，從理論到系統(tǒng)架構(gòu)能有總體把握的工程師(希望自己也能提高到那個水平，又在意淫了)，那個時候，國外廠商的產(chǎn)品將面臨巨大的挑戰(zhàn)，嘎嘎

??? 廢話扯半天，言歸正傳，超聲系統(tǒng)有個很重要的部分：前端。雖然，已經(jīng)2010年，不過超聲系統(tǒng)前端BF的理論基礎(chǔ)，還沿用30年前的方式，這種前端BF方式仍將延續(xù)很長時間。雖然新的很酷的方式，前幾年在理論上已有提出，不過距產(chǎn)品還有一定距離（據(jù)我所知有目前僅有歐洲一家公司使用新的BF理論基礎(chǔ)在研發(fā)新商業(yè)產(chǎn)品），1979年的老方法仍然非常重要的，有時間，再討論新的BF方式。

??? BF即Beam Formation,就是常說的波束形成，這是超聲系統(tǒng)最基礎(chǔ)，也是最重要的部分之一，BF的好壞，直接決定后面的圖像品質(zhì)，解析度，信噪比，以及后端其它高級算法應(yīng)用的好壞，所以BF這位同志是很重要的一位好同志。

何為波束？波束這個玩意，實際上是不存在的，是咱們想象出來的，我們控制延時曲線讓它出來它才出來。BF包括至少兩部分，發(fā)射及接收。發(fā)射時，聲場強度的分布即發(fā)射的Tx Beam Profile,再通過接收的控制Beam Profile的-6dB線分布會進一步縮窄，也就是解析度提高，PSF的主瓣會縮小，旁瓣也會進一步降低。

關(guān)于BF部分，以前我導(dǎo)師做過理論仿真，很多理論研究更多的是在用Field II。由于這部分很重要，我覺得有必要自己寫程序來模擬仿真，而且別人的模擬在實驗新的BF時也不符合自己的要求，所以BF模擬我需要自己來完成，用MFC來做。

首先，從最簡單的開始，作一個線性時不變的假設(shè)（特別針對非線性我們后面再完善），為了減少程序運算量將element簡化為點（實際情況應(yīng)該是個小的矩形），對于每個震源，我們假設(shè)全部一摸一樣（暫不設(shè)置器件誤差）。首先實驗最基本情況下，發(fā)射波焦點處PSF，模擬的探頭為線陣,暫不考慮衰減，假設(shè)傳播介質(zhì)假設(shè)為同性的水

模擬情況

1.線陣探頭3.8CM

2.中心頻率及發(fā)射頻率均為5MHz

3.假設(shè)探頭帶寬60%

4.震源128個

5.通道數(shù)128個

6.掃描深度4CM，焦點2CM處

7.一個波的Cycle

8.F#取1.0

獲取在探頭中心焦點處PSF情況，如圖1

?

圖1

上圖中128灰度的背景表示聲壓為0，比128更亮表示正聲壓，比128更暗表示負聲壓，為了檢驗我的模擬程序和與理論的情況是否相符，我把PSF處放大，見圖2

圖2

圖2中，程序結(jié)果黃點即為焦點處，每個像素表示4.44e-5 m的距離，根據(jù)BF相關(guān)理論，在該情況下焦點聚聲壓首次過零點距離為0.000308 m，所以應(yīng)該是6.93個像素.歐拉,在水平解析度上，與理論情況相符，嘎嘎

?? 有一個簡單的問題我們可以實驗一下，垂直解析度和激勵電壓波數(shù)的關(guān)系，對于血流成像而言，其垂直解析度很低，因為我們做自相關(guān)來做血流的話（B Flow除外），理論上需要做窄帶信號，需要較多周期的脈沖波，而系統(tǒng)的PSF在垂直方向上近似于發(fā)射波的波形，所以用自相關(guān)來做血流的信號垂直解析度必然很差。

我們可以對比一下，下面的結(jié)果所有參數(shù)和上面一樣，只是我在程序中調(diào)整不同的激勵脈沖波數(shù)目，如圖3，圖4所示

?圖3

圖4

???

??? 圖3和圖4分別是1個與4個激勵脈沖電壓情況下PSF對比，由發(fā)射處聲場PSF可以驗證我們之前的討論。哈哈，還比較順利，其實中間還是出過很多BUG，都被俺華麗的省去了^_^

??? 現(xiàn)在我們來驗證下grating lobe的情況，對于特定的探頭，探頭掃描的角度受到side lobe偽影的限制。現(xiàn)在我們來仿真下grating lobe偽影的情況，如圖5所示

?圖5

??? 為了確保在3.8CM的區(qū)域里產(chǎn)生grating lobe偽影,在程序中我增大了每個震源的距離，將震元數(shù)減少為32，其余參數(shù)與第一個實驗一模一樣.哈哈，see it?理論公式推導(dǎo)的grating lobe位置分別在左右0.0104m處，和程序中的一模一樣吧，嘻嘻

媽媽的喲，時間不早了，準備工作應(yīng)該差不多了，下次咱們可以整個模擬的B模式圖像出來了，最最基本的程序原型就搭起來了。哇？就B模式圖像數(shù)據(jù)么？不急哈，就只有說圖像數(shù)據(jù)，包絡(luò)，IQ，甚至RF數(shù)據(jù)都可以無中生有的:)

這部分是基礎(chǔ)但也很重要，真正好耍的東西還在后面，如果有時間，我把真正全新的BF方式也做了，別走開，廣告之后，馬上回來！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的超声系统前端理论与模拟仿真的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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