Содержание к диссертации
Введение
1. Применение метода нестационарной акустической голографии для исследования структуры колебаний поверхности ультразвуковых преобразователей в импульсном режиме 27
1.1. Теоретическое описание нестационарной акустической голографии для реконструкции распределения колебательной скорости на поверхности источников 27
1.2. Экспериментальное применение метода нестационарной акустической голографии для восстановления скорости на поверхности источников с различной конфигурацией 34
1.2.1. Экспериментальная установка и объекты исследования 34
1.2.2. Предварительное моделирование для оценки параметров эксперимента 37
1.2.3. Описание эксперимента и экспериментальные результаты 39
2. Шлирен-визуализация акустических полей, излучаемых пьезокерамическими источниками мегагерцового диапазона 51
2.1. Экспериментальная установка 51
2.2. Экспериментальные результаты 57
2.2.1. Акустическое поле плоского одноэлементного преобразователя 57
2.2.2. Акустическое поле вогнутого одноэлементного источника 62
2.2.3. Исследование волн Лэмба, возникающих при возбуждении вогнутого одноэлементного источника 67
2.2.4. Акустическое поле выпуклого многоэлементного диагностического датчика 75
2.2.5. Шлирен-визуализация акустических полей в непрерывном режиме 93
3. Исследование влияния дискретизации задержки в диаграммо-формирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на качество фокусировки 96
3.1 Теоретическое описание модельного эксперимента 96
3.2 Результаты расчетов 98
Основные результаты работы 105
- Экспериментальное применение метода нестационарной акустической голографии для восстановления скорости на поверхности источников с различной конфигурацией
- Экспериментальные результаты
- Акустическое поле выпуклого многоэлементного диагностического датчика
- Результаты расчетов
Введение к работе
Актуальность темы
Применение ультразвуковых технологий в медицине имеет почти полувековую историю. На сегодняшний день наиболее широкими областями применения ультразвука являются медицинская диагностика и терапия. Пьезокерамические преобразователи, применяемые в различных областях медицины, имеют различную конструкцию, форму и структуру рабочей поверхности: от простейших плоских одноэлементных преобразователей до сложных многоэлементных антенных решеток. Соблюдение свойств и структуры, создаваемых преобразователями акустических полей в пространстве, необходимо для повышения качества ультразвуковой диагностики и сохранения высокой избирательности воздействия в ультразвуковой терапии. Очевидно, что любая неточность или ошибка в медицине связаны с риском для здоровья. Поэтому требуется знать истинное распределение полей медицинских преобразователей в пространстве; в частности, для многоэлементных диагностических антенных решеток необходимо отслеживать возникновение и характер нежелательных боковых лепестков и паразитных максимумов, для устройств, применяемых в терапии и хирургии, необходимо точно знать интенсивность ультразвука, а также размеры фокальной перетяжки. Акустическое поле, создаваемое многоэлементными диагностическими датчиками, имеет достаточно сложную структуру. Оно изменяется во времени, испытывает фокусировку, может иметь боковые лепестки помимо основного формируемого луча. Необходимо также знать, каким образом будет изменяться поле такого акустического пучка в присутствии различных объектов сложной формы, отличающихся по акустическим свойствам от среды распространения, как, например, в биологических тканях.
Часто предсказать изменения полей во времени и их тонкую пространственную структуру невозможно без знания характера колебаний поверхности преобразователя. Производители медицинской техники всё ещё не обладают надежными методами контроля работы акустических преобразователей и не в состоянии предоставлять пользователям важные характеристики колеблющейся поверхности, такие как, например, распределение колебательной скорости. Обычно руководствуются простыми априорными предположениями о колебаниях поверхности преобразователей, например, предполагают соответствие колебаний поршневой моде. На практике поверхности преобразователей могут колебаться неравномерно. Причинами этого может быть как структура излучателя, например для многоэлементных датчиков, повреждения на его поверхности или возбуждение волн Лэмба в пьезопластине. Для диагностических датчиков также важно знать количество
излучающих элементов, быть уверенным в равномерности их работы и в отсутствии пропусков из-за неработающих элементов.
Важно также знать, каким образом конструктивные особенности диагностической системы влияют на структуру создаваемого акустического поля. Например, дискретный характер задания временных задержек возбуждающих сигналов, подаваемых на элементы датчика в цифровых системах, вносит значительные изменения в формируемый фазовый фронт и оказывает негативное влияние на структуру ультразвукового пучка и качество его фокусировки.
Существуют различные методы исследования полей ультразвуковых преобразователей.
Численное моделирование позволяет точно производить расчет пространственного распределения параметров поля при заданных граничных условиях на поверхности преобразователя. Однако, это требует точных сведений о характере колебаний поверхности их изменении во времени.
Метод лазерной виброметрии позволяет точно измерять параметры колебаний поверхности и обладает высоким пространственным и временным разрешением при измерениях смещения и колебательной скорости поверхности в газах. Однако данный метод имеет ограничения при проведении измерений в жидкости.
Исследование пространственного распределения акустического поля в жидкости традиционно проводится при помощи прямых измерений гидрофонами. Данная методика позволяет получить распределение акустического давления в пространстве с высоким разрешением. Сложность структуры поля медицинских преобразователей, стремление к увеличению пространственной области и высокому разрешению ведет к возрастанию времени измерений до нескольких часов. Для проведения измерений требуется сложное оборудование, зачастую дорогостоящее, - гидрофоны на ПВДФ пленках с малыми размерами чувствительных участков, что обусловлено мегагерцевым диапазоном излучения диагностических датчиков. Требуются также системы микропозиционирования, позволяющие перемещать гидрофон в пространстве с высокой точностью. Кроме того, для получения картины поля необходима обработка данных, полученных с гидрофона.
Метод теневой оптической визуализации не является прямым методом измерений, однако позволяет получить картину пространственного распределения акустического поля преобразователя без многочасовых сканирований гидрофонами и не требует какой-либо последующей обработки результатов. Метод позволяет получить информацию о размерах поля и фокальных перетяжек, о длине волны излучения, наличии боковых лепестков, выявить тонкие особенности пространственной структуры.
Видно, что все вышеописанные методы имеют достоинства и недостатки. Данная работа посвящена созданию комплексной экспериментальной методики исследования полей ультразвуковых преобразователей, использующихся в медицине. В частности, примененный в работе экспериментальный метод нестационарной акустической голографии позволяет выявлять тонкую структуру и динамику колебаний поверхности преобразователя, работающего в импульсном режиме (типичный режим работы медицинских диагностических датчиков). Данный метод сочетает измерения поля гидрофоном и последующий численный расчет для восстановления колебаний поверхности. Вместе с тем, оптическая шлирен-визуализация позволяет быстро выявить результат влияния неравномерности колебаний поверхности на пространственную структуру акустического поля преобразователя. Применение совокупности методов исследования позволяет эффективно решать задачу исследования полей медицинских диагностических преобразователей.
Цели работы
Основная цель работы состоит в определении количественных параметров импульсных акустических полей медицинских ультразвуковых преобразователей с различной конфигурацией рабочей поверхности и различными частотами с применением методов нестационарной акустической голографии, оптической визуализации и численного расчета. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
Создание экспериментальных установок, основанных на использовании методов нестационарной акустической голографии и оптической шлирен-визуализации для исследования акустических полей и колебательных свойств медицинских ультразвуковых преобразователей.
Экспериментальная демонстрация возможности применения метода нестационарной акустической голографии для исследования колебаний поверхностей как простых одноэлементных, так и сложных многоэлементных диагностических источников в импульсных режимах работы. Исследование разрешающей способности метода, его возможностей по выявлению тонкой структуры поля колебаний поверхности источника в импульсном режиме.
Экспериментальное доказательство применимости шлирен-метода для исследования низкоинтенсивных акустических полей диагностических источников. Выявление возможностей шлирен-метода при работе с источниками слабых полей ультразвукового диапазона и с источниками со сложной конфигурацией излучающей поверхности.
Экспериментальное и теоретическое исследование тонкой структуры излучаемых акустических полей и структуры полей колебаний поверхности для одно- и многоэлементных источников различной формы, на разных частотах в режиме излучения коротких импульсов на основе использования методов акустической голографии и оптической визуализации.
Исследование влияния дискретизации временной задержки возбуждающих импульсов в диагностических системах с цифровым формированием зондирующих импульсов на структуру акустического поля многоэлементного преобразователя.
Научная новизна работы
Впервые экспериментально реализован метод нестационарной акустической голографии для восстановления поля колебаний медицинских диагностических преобразователей (в том числе многоэлементных) мегагерцового диапазона частот. Продемонстрированы возможности метода при работе с диагностическими преобразователями, определена его разрешающая способность. Метод применен для восстановления распределения колебательной скорости излучающей поверхности, визуализации многоэлементной структуры датчика, размера и положения элементов, показана возможность измерения степени фокусировки акустического поля в двух плоскостях.
Доказана возможность применения оптической теневой визуализации для анализа импульсных акустических полей медицинских диагностических преобразователей. Экспериментально исследованы параметры акустического поля: длина волны излучения, размеры фокальных перетяжек, характер и положение бокового излучения. Показана эффективность теневого метода при исследовании распространения ультразвуковых импульсов в среде, содержащей неоднородные включения типа акустических неоднородностей биологических тканей.
Показана эффективность импульсного теневого метода для количественного измерения параметров ультразвуковых полей. В частности, измерены дисперсионные кривые для различных мод Лэмба в пластине из пьезокерамики типа ЦТС в диапазоне 0,3 -
1,6 МГц в воде. Теневой метод также применён для измерения в импульсном режиме скорости поверхностной волны утечки на границе «твёрдое тело - жидкость».
Проведено численное исследование пространственного распределения акустических
полей многоэлементных импульсных преобразователей в условиях дискретного
изменения задержек сигналов, подаваемых на отдельные элементы. Для типичных ультразвуковых диагностических медицинских приборов изучено влияние величины шага дискретизации временной задержки на видимые поперечные размеры объектов, визуализируемых в В-режиме.
Практическая значимость работы
Предложенная методика исследования импульсных ультразвуковых преобразователей при помощи акустической голографии и теневой оптической визуализации является эффективным и надежным инструментом контроля преобразователей, используемых в медицине, характеризации свойств их полей. Зная свойства преобразователей и их полей, возможно повышать качество медицинской диагностики, избегать нежелательного и опасного воздействия ультразвука на биологические ткани.
Метод оптической теневой визуализации является эффективным способом не только качественного экспресс-анализа, но и количественного исследования параметров ультразвуковых полей различных интенсивностей и частот, в том числе импульсных. Метод отличается простотой, удобством и скоростью получения экспериментальных результатов.
Проведенное численное моделирование позволило по рассчитанным диаграммам, аналогичным черно-белым изображениям, формируемым диагностическими устройствами, оценить изменение качества ультразвуковой картины в зависимости от величины шага дискретизации временной задержки сигналов, подаваемых на отдельные излучающие элементы датчика. Результаты проведенного исследования позволяют выработать рекомендации производителям диагностических устройств с целью улучшения качества ультразвуковой визуализации.
Положения, выносимые на защиту
Экспериментальное применение метода нестационарной акустической голографии для исследования колебаний медицинских ультразвуковых диагностических преобразователей мегагерцового диапазона частот. Экспериментальный анализ разрешающей способности метода, его возможностей по выявлению тонкой структуры поля колебаний поверхности источника в импульсном режиме.
Экспериментальное применение метода оптической теневой визуализации для исследования акустических полей медицинских диагностических преобразователей.
Выявление возможностей теневого метода при работе с источниками слабых полей ультразвукового диапазона и с источниками со сложной конфигурацией излучающей поверхности. Экспериментальное доказательство применимости теневого метода для количественного исследования параметров ультразвуковых полей. Экспериментальное исследование взаимодействия акустических импульсов, создаваемых диагностическим преобразователем, с фантомами биологических тканей.
Исследование влияния дискретизации временной задержки возбуждающих импульсов в диагностических системах с цифровым формированием зондирующих импульсов на структуру акустического поля многоэлементного преобразователя.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается совпадением данных, полученных в эксперименте, с результатами численного моделирования, проведенного автором, специальными проверочными экспериментами, использованием высокоточного экспериментального оборудования, а также физической и математической обоснованностью теоретических расчетов и экспериментальных схем.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры акустики физического факультета МГУ, Акустического института им. акад. Н.Н. Андреева (АКИН), а также на следующих конференциях и симпозиумах: на XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2004" (Москва, 2004), на XV сессии Российского Акустического Общества (Нижний Новгород, 2004), на XVI сессии Российского Акустического Общества (Москва, 2005), на XVIII сессии Российского Акустического Общества (Таганрог, 2006), на X Всероссийской школе - семинаре "Волны -2004" (Звенигород, Моск. обл., 2004 г.), на II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии "Медицинская физика - 2005" (Москва, 2005).
Кроме того, результаты были представлены на 2 международных конференциях: на Международном симпозиуме "Проблемы нелинейной волновой физики" (International Symposium "Topical Problems of Nonlinear Wave Physics" NWP-2005), на Международном симпозиуме по ультразвуку IEEE (2006 IEEE International Ultrasonics Symposium Vancouver, Canada, 2006).
Публикации
Основные результаты изложены в 10 опубликованных работах, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Экспериментальное применение метода нестационарной акустической голографии для восстановления скорости на поверхности источников с различной конфигурацией
К экспериментальному оборудованию, используемому в задачах акустической голографии, предъявляются следующие требования: оно должно обеспечивать измерения амплитуды давления в акустическом поле, а также фиксирование фазы сигнала (или запись всей формы сигнала) в заданных точках пространства. При этом, в связи с большим количеством точек измерения, желательно функционирование оборудования и запись результатов в автоматическом режиме. Система состоит из следующих компонентов: кювета с водой, система позиционирования, гидрофон с предусилителем, осциллограф, генератор, компьютер для осуществления автоматизации измерений, записи и хранения информации. Исследуемый источник размещается в кювете с дегазированной водой. Генерация акустического сигнала происходила при помощи электрического сигнала с генератора или сигналов с выхода диаграммо-формирующего устройства диагностической системы. Перед источником размещается гидрофон, который может изменять свое положение при помощи системы позиционирования. Сигнал с гидрофона поступал через предусилитель на цифровой осциллограф, а с него на вход специализированной платы в компьютер. Весь процесс измерений производился полностью автоматически под управлением компьютера и специальной программы. Рассмотрим более подробно отдельные компоненты системы. Осциллограф. Для записи формы сигнала, поступающего с гидрофона, использовался цифровой осциллограф Tektronix 520А, который управлялся с компьютера через интерфейс GPffi. Генератор. Для создания возбуждающих импульсов при работе с одноэлементным источником использовался генератор волн произвольной формы Agilent 33120А с пределом частот 15 MHz. Гидрофон. Для измерений давления использовался игольчатый гидрофон (SEA, PVDFZ44-0400, [103]) с предусилителем и диаметром чувствительного участка 0,4 мм. Также использовался гидрофон с диаметром чувствительного участка 0,2 мм. Гидрофоны выбирались так, чтобы диаметры их чувствительных участков были по возможности меньше длины волны в воде. Дело в том, что чем меньше размер чувствительного участка по сравнению с длиной волны, тем более равномерную диаграмму направленности имеет гидрофон в широком диапазоне углов. Гидрофоны были откалиброваны, была известна их чувствительность на используемой в эксперименте частоте. Система позиционирования.
Для перемещения гидрофона в пространстве использовалась трехмерная система микропозиционирования (Velmex-Unislide VP9000, США) с шагом перемещения около 10 мкм. Их шаговые двигатели приводились в движение специальными контроллерами. Перемещение гидрофона управлялось с компьютера при помощи специальной программы. Управляющая программа. Работа установки автоматизирована под управлением компьютера. Специальная программа, написанная на языке Lab View (ее интерфейс представлен на рис. 1.2.2), позволяла управлять перемещениями гидрофона, считывать сигналы с цифрового осциллографа и записывать их, создавая соответствующий массив файлов на жестком диске. Объекты исследования. В качестве источников ультразвука использовались следующие преобразователи: Плоский одноэлементный круглый пьезопреобразователь диаметром 100 мм и толщиной около 2 мм, жестко закрепленный в специальном корпусе с резонансной частотой 1,12 МГц. Данный преобразователь использовался как модельный для восстановления неоднородностей на его поверхности и отработки методики в целом. Плоский одноэлементный диагностический датчик диаметром 25 мм и резонансной частотой 1 МГц. Многоэлементный диагностический датчик с выпуклой конфигурацией излучающей поверхности и частотой 3,5 МГц. Количество элементов равнялось 96, размер элемента - 12x0,44 мм, ширина неизлучающего промежутка между элементами составляла значение, равное 0,18 мм. При подготовке к эксперименту необходимо предварительно оценить некоторые параметры, такие как размер области измерения и пространственный шаг между точками измерения. Это можно сделать из простых дифракционных соображений. Представим сетку измерений как дифракционную решетку, с которой излучение при виртуальной обратной посылке волны фокусируется в точках на поверхности излучателя (см. рис. 1.2.3а), т.е. сферические волны, создаваемые каждым узлом сетки измерений, интерферируют на поверхности излучателя, формируя распределение колебательной скорости. Расстояние от излучателя до сетки обозначим Z, размер сетки измерений - D. При этом размер и расположение области измерений надо выбирать так, чтобы 2/LZ размер фокального пятна, определяемый соотношением d , где Л - длина волны излучения в воде, был меньше или сравним с характерным размером неоднородности колебательной скорости на поверхности излучателя.
В этом случае пространственная структура неоднородностей восстанавливается четко. Желательно соблюсти условие прохождения большей части излученной энергии через область измерений. Любая дифракционная решетка с конечным количеством элементов наряду с основным максимумом (которым и является искомое распределение скорости) формирует ряд побочных максимумов. Положения этих максимумов также зависят от параметров плоскости измерений. Чтобы избавиться от двойников восстановления, необходимо выбирать шаг сетки так, чтобы он был меньше длины волны излучения в воде. Пусть искомое распределение скорости на излучателе является основным максимумом при посылке волны с сетки измерений. Угол, под которым расположен максимум порядка п, как следует из теории Л дифракционной решетки, определяется соотношением шфп=п , где h - пространственный шаг сетки измерений [104]. Чтобы бесконечно отдалить максимум первого порядка (двойник восстановления) от реального положения пространственного распределения колебательной скорости, нужно выбрать шаг Л измерения в соответствии с выражением: sin , = — 1 = h Л. Из этого соотношения видно, что, выбирая шаг измерений, сравнимый с длиной волны, можно избавиться от других порядков дифракции. Однако обычно количество точек на плоскости измерений велико, поэтому сканирование может занимать несколько часов. В связи с этим необходимо более точно оценивать размеры области и пространственный шаг. В нашей группе Анатолием Пономаревым была написана программа для теоретического решения задачи восстановления колебаний поверхности источника [62]. Программа моделирует параметры излучателя (наличие дефектов, сфокусированности, периодической структуры на поверхности), размеры и шаг сетки измерений, вид излучаемого сигнала и т.д. Используя как прямой, так и обращенный интеграл Рэлея, программа позволяет при заданном источнике и скорости на его поверхности рассчитать поле на плоскости измерения в дискретных точках и решить обратную задачу по восстановлению распределения скорости на источнике. Данные для восстановления могут быть как смоделированные при заданном источнике, так и измеренные в реальном эксперименте. Здесь необходимо отметить, что разрешающая способность метода акустической голографии зависит от вышеописанных параметров сетки измерений и от диаграммы направленности гидрофона. Размер чувствительной области гидрофона определяет угловую ширину диаграммы направленности, а вместе с тем размер и положение измерительной плоскости. Казалось бы, разрешающая способность метода ограничена дифракционным пределом и приблизительно равна длине волны излучения в воде. Однако, выбрав параметры эксперимента более тщательно, можно достичь разрешения неоднородности (особенно имеющих резкие края) размером менее длины волны.
Экспериментальные результаты
Первая часть работы проводилась с использованием плоского одноэлементного преобразователя. Как известно, фазовый набег, получаемый световой волной, пропорционален интегралу от акустического давления вдоль направления распространения световой волны. Поэтому в случае, когда распространение света происходит строго вдоль плоских волновых фронтов акустической волны (а именно такие фронты преимущественно и создаются плоским источником), на получаемых изображениях указанные фронты получаются очень яркими. Из-за этого все другие неоднородности акустического поля, отличные от указанных выше квазиплоских волн, излучаемых при толщинных («поршневых») колебаниях пьезопластины, могут оказаться неразличимыми. Поэтому в описываемых экспериментах специально создавался небольшой наклон оси излучателя, чтобы излучаемые волновые фронты были непараллельны направлению распространения светового пучка, т.е. соответствующие изображения подавлялись. Целью, как уже отмечалось, являлось выявление дополнительных акустических возмущений, излучаемых непоршневыми упругими модами пьезопластины. Проведенные ранее работы по исследованию излучения подобных преобразователей позволяют предсказать вид шлирен-изображений, ожидаемых в эксперименте. По мере увеличения временной задержки между моментом инициации излучения акустической волны и моментом получения изображения будут проявляться следующие детали: вначале ожидается появление изображения поршневой моды колебаний в виде эквидистантных полос, расстояние между которыми должно составлять значение равное длине волны на заданной частоте излучения. Количество полос должно составлять значение равное количеству периодов основной частоты в возбуждающем импульсе. Затем должны проявиться структуры в виде эквидистантных полос с тем же шагом, но интенсивность их будет уменьшаться, что отвечает реакции преобразователя на импульсное возбуждение («звон»). Ожидается также проявление краевых волн. Волны, распространяющиеся под углом к основному направлению излучения, будут интерферировать с поршневой модой, что проявится в минимумах и максимумах интенсивности картины в направлении перпендикулярном распространению акустического излучения. Кроме того, на поверхности излучателя распространяются поверхностные волны, в частности волны Лэмба. В соответствии с данными, полученными в работе [97], наличие на поверхности излучателя волн Лэмба проявляется в присутствии низкочастотных компонент в профилях излученной волны. На рис. 2.4 изображены профили волны фокусированного излучателя диаметром 100 мм, полученные на различных расстояниях от излучателя. Отчетливо видна «головная» часть, соответствующая поршневой моде излучателя.
Затем появляется «хвост», соответствующий искаженной краевой волне. Начало этого «хвоста» представляет собой низкочастотное колебание, обусловленное волной Лэмба. Данное свойство должно проявиться и на экспериментальных изображениях. Описанные выше ожидаемые особенности теневых изображений действительно наблюдались. На рис. 2.5а представлено изображение акустического поля плоского ультразвукового преобразователя через 10 мкс после начала излучения. Данное и все последующие изображения получены при усреднении по 100 кадрам с регистрацией и вычитанием фона для каждого кадра. Сам преобразователь находится в верхней части изображения и отмечен однотонной областью. Видно, что плоскость излучателя не ортогональна плоскости наблюдения, что обуславливает характерный эллиптический вид границы тени излучателя. На рис. 2.5а отчетливо видны 10 светлых и темных линий, представляющих собой области сжатия и разрежения в воде, вызванные акустическим полем. Наблюдаемая периодическая структура однородна, не имеет искажений. Таким образом, можно говорить об акустическом импульсе, совпадающим по структуре с возбуждающим электрическим импульсом. Расстояние между линиями составляет примерно 1,5 мм, что совпадает с длиной волны на основной частоте излучателя в воде. На рис. 2.56 представлено акустическое поле плоского преобразователя через 30 мкс после начала излучения. Помимо однородных эллиптических темных и светлых полос, наблюдаются также области с неоднородностями поперек волновых фронтов (например, в характерной области 1) и неоднородная область в центре (область 2), обусловленная краевой волной. Их период в направлении распространения совпадает с длиной волны излучения 1,5 мм, а в направлении, перпендикулярном распространению волны, составляет значение около 6,2 мм. Наблюдаемые периодические структуры обусловлены интерференцией волны, излучаемой толщинными колебаниями пьезопластины, и волн, соответствующих иным упругим возмущениям в пластине, - эти волны направлены под углом к оси излучателя. На рис. 2.5в представлено акустическое поле того же преобразователя через 54 мкс после начала излучения. Помимо неоднородностей, обусловленных краевыми волнами, наблюдаются также неоднородности, значительно большего, по сравнению с длиной волны излучения, периода (характерный вид отмечен областью 1). Угол между направлением распространения указанных выше акустических волн и вертикалью (рпод составляет значение около 25.
Период повторяемости данной неоднородности составляет значение Лпов около 4,7 мм. Следовательно, частота волны, которой отвечает данная неоднородность, fnoe - «— равна 0,32 МГц, где с - скорость звука в жидкости. лпов Как видно, эта частота намного ниже центральной частоты возбуждения (1 МГц). Причиной наличия данных неоднородностей можно считать существование поверхностных волн, распространяющихся вдоль пьезокерамической пластины. Длину волны данных поверхностных волн Апоа можно оценить, исходя из того, что она совпадает с длиной волны «следа» возмущения, излучаемого в жидкость. Это дает соотношение Апов = —22г—. Оценка дает значение длины поверхностной волны, равное 13,1 мм. Кроме того, можно произвести оценку скорости поверхностных волн вдоль пластины преобразователя. Учитывая, что скорость акустической волны воде, вызванной поверхностной волной, равна спов =1490 м/с, получаем, что скорость поверхностной волны равна Чтобы понять, чему соответствует указанная низкочастотная волна с таким значением скорости распространения, следует учесть свойства волн Лэмба в пластине. На рис. 2.6 изображены дисперсионные кривые для различных мод волн Лэмба для керамики типа PZT-4, сходной по свойствам с керамикой типа Р1-60, использованной в эксперименте. Кривые взяты из работы [97]. Видно, что на семействе дисперсионных кривых действительно имеется участок в диапазоне частот 0 - 0,5 МГц, где фазовая скорость близка к 3500 м/с. Этому участку соответствует симметричная мода s0 (квазипродольная волна в пластине). На рис. 2.5г представлено акустическое поле плоского преобразователя через 76 мкс после начала излучения. В центре изображения заметна симметричная неоднородность (например, область 1), соответствующая поверхностной волне, имеющей те же характеристики, что и поверхностная волна, обнаруженная в предыдущем случае. Расстояние между этими неоднородностями составляет около 69,5 мм. Это означает, что с учетом скорости звука в воде, равной 1490 м/с, временной промежуток между излучением поверхностных волн составляет около 45 мкс. Соответствующая длина пробега в пластине (со скоростью Сиов=3500 м/с) составляет значение порядка 160 мм, что примерно совпадает с диаметром пьезопластины. 2.2.2. Акустическое поле вогнутого одноэлементного источника Эксперименты по шлирен-визуализации проводились также для сферически вогнутого излучателя диаметром 100 мм. На этот раз ось излучателя была строго вертикальной, т.е. оптический пучок распространялся перпендикулярно оси ультразвукового пучка. Ожидаемая структура акустического поля не должна была принципиально отличаться от предыдущего случая. Можно было предположить следующее.
Акустическое поле выпуклого многоэлементного диагностического датчика
Следующим типом излучателя, использовавшегося в экспериментах по шлирен-визуализации, был многоэлементный ультразвуковой датчик, работающий на центральной частоте 3,5 МГц. Особенностью работы данного преобразователя было наличие многоканального управляющего устройства - ультразвукового диагностического прибора. Благодаря управляемой задержке между электрическими сигналами, подаваемыми на элементы датчика, создаваемое им акустическое поле могло быть фокусировано на различные расстояния, локализовано в некоторой пространственной области - пучке. Излучение производилось в М-режиме, при котором использовались не все элементы излучающей поверхности датчика, а лишь группа из 16-ти элементов. Пространственный период решетки датчика составляет 0,62 мм, а ширина каждого элемента - 0,44 мм. Импульсный акустический пучок мог перемещаться в пространстве электронным образом при изменении рабочей группы элементов, что вкупе с выпуклой конфигурацией поверхности датчика позволяло изменять угол направления распространения ультразвука. Импульсный характер излучения позволяет ожидать появления на изображениях неоднородности, состоящей из чередующихся светлых и темных линий с шагом, соответствующим длине волны на частоте излучения датчика. Поперечные размеры этой неоднородности должны изменяться по мере распространения волны в сторону фокуса и затем от него. Возможно также наблюдение менее ярких неоднородностей, соответствующих боковым лепесткам антенной решетки. В нижеописанных экспериментах акустическое поле датчика рассматривалось не только отдельно, но и в присутствии некоторых объектов, влияющих на его структуру. Часть экспериментов проводилась в присутствии поверхности, способной вызывать отражение ультразвукового импульса. В качестве отражающего объекта использовалась пластина из дюралюминия, толщиной 6,5 мм. Акустический импульс, падающий вертикально на подобную пластину, должен испытывать отражение от внешней границы вода-дюралюминий, а также проходить внутрь пластины. На границе дюралюминий-вода импульс опять должен испытать частичное отражение и частично пройти в воду. Процесс подобных переотражений должен повторяться многократно. Вместе с тем, амплитуда импульса должна уменьшаться как вследствие затухания в пластине, так и вследствие выхода части энергии импульса в воду.
Таким образом, на изображениях должна появиться последовательность отраженных неоднородностей одинаковой формы и длительности, но уменьшающейся по амплитуде яркости. В случае наклонного падения импульса на пластину должно происходить его отражение и частичное преломление. В силу граничных условий на поверхности раздела вода-дюралюминий, «следы» падающей и отраженной волн (поля этих волн на граничной поверхности) должны двигаться вдоль границы в одинаковом направлении с одинаковой скоростью. Это означает, что угол, под которым распространяется отраженная в воду волна, совпадает с углом, под которым направлена падающая на границу раздела волна, что соответствует известному первому закону Снеллиуса (угол отражения равен углу падения) [110]. Указанный классический характер отражения должен наблюдаться при шлирен-визуализации. Дополнительно к описанной выше отраженной волне в жидкости может возникнуть и так называемая «головная» волна, обусловленная возбуждением в металле поверхностной волны. Как известно, незатухающая поверхностная волна с вертикальной поляризацией существует вблизи поверхности твердого тела, граничащей с вакуумом - так называемая волна Рэлея [111, 112]. При замене вакуума жидкостью эта волна становится затухающей из-за оттока акустической энергии в жидкость - это так называемая поверхностная волна утечки. В силу большой разницы материальных констант жидкости и металла указанное затухание невелико, т.е. структура деформаций и напряжений в металле почти такая же, как в случае волны Рэлея. Скорость распространения волны Рэлея cR приблизительно равна скорости распространения поперечных сдвиговых волн в металле с,, при этом cR с, (0.87+ 1.12 т)/(1 + сг)«0,9с,, где а - коэффициент Пуассона материала. Излучаемая в жидкость составляющая волны утечки как раз и называется головной волной. Поскольку след головной волны на поверхности все время распространяется со скоростью поверхностной волны cR, а скорость волны равна скорости звука в жидкости с0, то волновые фронты головной волны являются плоскими, а направление распространения задается углом к нормали а, равным ог = агс8Іп(с0/сд). Рассмотрим теперь результаты проведенных экспериментов. Типичные шлирен-изображения приведены на рис. 2.12. Излучающая поверхность датчика находится все пределов изображения. Датчик ориентирован так, чтобы излучаемый импульс падал на отражающую поверхность под определенным углом. На рис. 2.12а изображен акустический импульс, создаваемый диагностическим датчиком, представленный в виде чередующихся темных и светлых полос, расстояние между которыми составляет около 0,44 мм, что соответствует длине волны излучения на частоте 3,5 МГц.
Хорошо различимо четыре периода колебаний на основной частоте. Отчетливо виден импульс в пределах основного лепестка диаграммы излучения (область 1), а также возмущения, соответствующие боковому лепестку антенной решетки (область 2). Импульс имеет поперечный размер порядка 2,8 мм и находится в точке электронного фокуса датчика. В нижней части изображения расположена отражающая пластина. Видно, что фронт волны в импульсе ориентирован к поверхности пластины под углом; анализ изображения показывают, что этот угол составляет примерно 32,5. На рис. 2.126 изображен акустический импульс, подходящий к поверхности отражающей пластины. При этом разница во времени по сравнению с предыдущим изображением (рис. 2.12а) составляет 5 мкс. Отчетливо видно, что импульс, попавший на поверхность пластины, отражается. При этом угол падения волны равен углу отражения. Часть волнового фронта попало на ребро пластины; фронт отраженной от ребра волны имеет характерный вид расходящихся окружностей (рис. 2.126, область 1). На рис. 2.12в изображен акустический импульс, отразившийся от поверхности пластины. При этом разница во времени по сравнению с предыдущим изображением (рис. 2.126) составляет 6 мкс. На изображении заметен появившийся фронт волны 1, который не совпадает с фронтом волны отраженного импульса 2. Фронт этой волны находится под углом около 30 к поверхности отражающей пластины. Наблюдаемое несовпадение с углом падения 32,5 объясняется тем, что указанный фронт относится не к отраженному импульсу, а к головной волне, излучаемой распространяющейся вправо поверхностной волной. Заметим, что волновые фронты в отраженном импульсе имеют некоторую кривизну, и поэтому в процессе взаимодействия наклонно падающего импульса с поверхностью отражателя скорость следа меняется в отличие от скорости рэлеевской волны (следа головной волны), остающейся постоянной. На рис. 2.12г изображен акустический импульс, отраженный от поверхности пластины. При этом разница во времени по сравнению с предыдущим изображением (рис. 2.12в) составляет 5 мкс. Оценку скорости волны Рэлея можно провести и по одному изображению, исходя из угла наклона фронта головной волны. Скорость следа головной волны равна c,rR = ceod/sinaR =cR, что при угле aR =(30,3±2,6), составляет значение (29601254) м/с. Значения скорости сдвиговых волн и коэффициента Пуассона в алюминии составляют с, =3040 м/с и а =0,355, что дает для скорости рэлеевских волн cR с, (0.87 + 1.12 т)/(1 + (т) = 2844 м/с. Оценка, полученная по теневым картинкам, в пределах погрешности измерений совпадает с этим значением.
Результаты расчетов
В результате моделирования были получены двумерные распределения акустического поля, представляющие собой проекцию ультразвукового пучка на плоскость, в которой производится сканирование (плоскостью см. рис. 3.1) для различных величин шага временной задержки. С точки зрения пространственного разрешения системы наиболее информативными являются поперечные распределения акустического поля датчика (вдоль оси, параллельной излучающей поверхности) на различных расстояниях от излучающей поверхности вдоль оси датчика (в частности, в точке фокуса, на границе фокальной области) и т.д. Расчеты проводились для датчиков двух типов: частотой 3,5 МГц, 96-элементной излучающей поверхностью конвексного типа (излучающая поверхность представляет собой цилиндрический сектор) с радиусом кривизны 60 мм и для датчика частотой 7,5 МГц , 128-элементной излучающей поверхностью линейного типа шириной 64 мм. Элементы конвексного датчика имели размеры 12x0,44 мм, с расстоянием между ними 0,18 мм. Датчик линейного типа имел размер элемента 12x0,3 мм с расстоянием между ними 0,18 мм. Импульс колебательной скорости на поверхностях элементов в обоих случаях имел гауссовскую огибающую и заполнение из двух циклов центральной частоты излучения датчика. Для конвексного датчика фокус излучения задавался на расстоянии 50 мм от излучающей поверхности, для линейного датчика, на расстоянии 41 мм от излучающей поверхности. При этом точность задания задержек возбуждающих импульсов на элементах была различной и колебалась в пределах от 0 до 50 не. Результаты представлены на рис. 3.2,3.3. На этих диаграммах изображены поперечные распределения акустического поля каждого из датчиков в области фокуса в зависимости от величины дискрета временной задержки. Видно, что чем больше шаг дискретизации временной задержки, тем меньше уровень основного лепестка диаграммы и тем выше уровень бокового излучения. Уменьшение шага дискретизации приводит к некоторому росту основного лепестка, а уровень бокового излучения изменяется в сторону уменьшения.
Также заметно, что существует некоторое значение шага, которое уже не влияет существенно на уровень боковых лепестков. Так, для датчика конвексного типа частотой 3,5 МГц это значение составляет 7-8 не, а для датчика линейного типа частотой 7,5 МГц - 4-5 не. Это объясняется достижением адекватной точности фокусировки при заданной длине волны излучения. При величине шага, равной 20 нс (шаг дискретизации временной задержки, используемый в современных ультразвуковых сканерах среднего класса), максимальный уровень боковых лепестков для датчика конвексного типа составляет -18 дБ, а для датчика линейного типа -23 дБ. Кроме этого, были получены двумерные распределения акустического поля в плоскости xz (см. рис. 1). По ним при помощи логарифмирования были построены черно-белые изображения, аналогичные черно-белым картинам ультразвуковых сканеров. На рис. 3.4,3.5,3.6 представлены расчетные изображения точечного рассеивателя, получаемые при помощи датчика линейного типа, для различных величин шага временной задержки. Сигналы, поданные на элементы датчика, имеют задержки, соответствующие фокусировке сканирующего ультразвукового луча на глубину 41 мм. На том же расстоянии на оси датчика расположен точечный рассеиватель. Рассеиватель расположен в однородной среде, не поглощающей энергию акустической волны. В данном случае при зондировании используется не вся апертура датчика, а только 28 соседних элементов. Ограничение размеров излучающей апертуры необходимо для фиксирования поперечного размера фокальной области при приближении фокуса к поверхности датчика в режиме динамической фокусировки [90, 83]. В этом режиме диагностический сканер осуществляет последовательную фокусировку в различные точки, находящиеся на прямой, проходящей через центр апертуры - линии сканирования. Расположение точек фокусировки обусловлено моментом прихода отраженного сигнала и быстродействием системы. Рассчитывалась диаграмма приема сигнала от точечного рассеивателя, которая, как известно, пропорциональна квадрату диаграммы излучения в соответствующую точку. Здесь необходимо кратко пояснить, как создается изображение тканей датчиками линейного сканирования. Считается, что все принятые датчиком сигналы пришли из точек, расположенных на линии сканирования - узкой линии, перпендикулярной излучающей апертуре и проходящей через ее центр. После каждого цикла излучения-приема излучающая апертура смещается вдоль поверхности датчика последовательным переключением элементов. Последовательность таких линий формирует черно-белое ультразвуковое изображение ткани. Если рассеиватель находится в однородной среде вне этой линии, однако из-за наличия боковых лепестков отраженный от него сигнал велик, то его изображение будет получено, как если бы он находился в пределах линии приема, но будет менее ярким. Кроме этого, наличие бокового излучения влияет на уширение изображения точечного рассеивателя, расположенного на линии сканирования. Продольный же размер рассеивателя (вдоль оси z) определяется длиной импульса излучения. В данном случае продольный размер не зависит от величины дискрета временной задержки, и поэтому вертикальный размер рассеивателя на рассчитанных изображениях был принят равным одной точке.
При получении конечного изображения учитывалось, что во всех типах диагностических ультразвуковых устройств производится компрессия входного сигнала для визуализации слабых сигналов наряду с сильными. Первым этапом компрессии является логарифмирование входного сигнала, а затем обычно имеется возможность регулировать динамический диапазон изображения и выделять или подавлять сигналы той или иной амплитуды с помощью так называемого гамма-корректора. Гамма-корректор представляет собой амплитудную передаточную кривую между логарифмически компрессированным входным сигналом и черно-белым изображением на дисплее прибора. Кривая зависимости амплитуды сигнала на дисплее от входной амплитуды может иметь разный вид для того, чтобы, например, уменьшать слабые сигналы для подавления шумов и выделения контуров объекта [94]. В данном модельном эксперименте гамма-корректор был линейным. Видно, что с увеличением шага дискретизации временной задержки происходит увеличение общего уровня бокового излучения, появляются четко различимые побочные максимумы в виде ложных точек справа и слева от истинного изображения точечного рассеивателя. При нелинейном гамма-корректоре, соответствующем операции повышения контраста, относительная яркость этих паразитных сигналов еще больше усилится. Это означает, например, что может быть потерян полезный сигнал от второго слабого рассеивателя, если тот расположен близко к основному, или, наоборот, паразитный сигнал может быть принят за истинный. Все это сказывается отрицательно на качестве формируемого изображения и вызывает необходимость борьбы с артефактами подобного рода. Правильный выбор шага временной задержки наряду с аподизацией - умножения сигнала в каждом канале перед суммированием на свой весовой коэффициент, может значительно снизить уровень бокового излучения, тем самым, улучшая один из важнейших параметров диагностической системы - пространственное разрешение. В данной части работы было рассмотрено влияние величины шага дискретизации временной задержки на качество фокусировки ультразвукового пучка в диагностических системах. В ходе численного моделирования были рассчитаны двумерные распределения акустического поля реальных диагностических датчиков - антенных решеток и выявлена зависимость поперечного пространственного распределения амплитуды поля в ультразвуковом пучке и уровня бокового излучения от величины шага дискретизации временной задержки.
Похожие диссертации на Измерение полей ультразвуковых медицинских преобразователей методами акустической голографии и оптической визуализации
