超声成像发射声场仿真(Ultrasound Emit Field Simulation)
超声成像发射声场仿真(Ultrasound Emit Field Simulation)
根据超声波阵面的实现方式可以将超声成像分为平面波(plane wave)成像、扩散波(diverging wave)成像、聚焦(focus)成像。为了实现上述成像方式需要施加不同的发射延时形成相应的波阵面。不同的波阵面形成的发射声场表现不同,了解不同成像方式的声场有助于我们加深超声成像的了解。
此处以Field II软件仿真不同成像方式发射声场。发射延时可以使用Filed II自带函数生成,由于实际工程需要发射延时是由工程师去计算配置的,下文列出了发射延时的计算方式。
Field_II是丹麦超声专家J. A. Jensen等利用声学原理设计的一个超声系统。它可以仿真超声探头所形成的声场和超声图像等。这里默认已经对Filed _II有一定了解。
一、平面波发射声场
1、线阵探头/相控阵探头
上图是线阵/相控阵平面波正常发射和偏转发射的示意图,对于平面波没有聚焦的概念,因此只要使激励阵元的延时形成平面波就可以。
对于正常发射各阵元发射延时全为0,对于偏转发射(包括正常发射)延时计算为:
$$
x⋅sin(v)
$$
角度为负往左偏转,角度为正往右偏转,对于以后的扫描偏转方向沿用这一规则。
当计算完成发射延时,就可以进行声场仿真。
首先需要对配置探头参数进行配置,参数如下:
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设置脉冲相应、阵元位置及平面波发射角度
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计算发射声场
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无偏转平面波延时设置也可以通过下面进行
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发射声场field II计算函数
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从上图可以看出发射延时有负数,实际工程中会给一个t进行补偿,保证延时大于0。
2、凸阵
上图是线阵/相控阵平面波正常发射和偏转发射的示意图
对于正常发射各阵元发射延时全为0,对于偏转发射(包括正常发射)延时计算为:
$$
R⋅cos(\theta_p-\theta_e)
$$
$\theta_p$为平面波偏转角度,$\theta_e$为阵元相对中间线的夹角
另一种计算发射延时方法是计算定点到阵元$n$波阵面(与波阵面垂直)的切线,通过切线可以计算出阵元到波阵面的距离,然后转化为发射延时。
代码框架与上面一致,结果为
二、扩散波发射声场
扩散波与平面波都可以通过一次发射获取较大的图像视野,与平面波不同的是扩散波虚拟了一个点源
1、线阵探头/相控阵探头
此处定义虚拟源的半径为$r$,偏转角度为$\theta$ ,虚拟源位置通过三角函数计算,各阵元到虚拟源的距离也确定了。
2、凸阵
凸阵原理与线阵类似
三、聚焦波发射声场
1、线阵探头
聚焦声场的延时使用Field II 自带函数计算,聚焦深度3cm,发射线为中心线,发射延时计算
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或是通过自行计算的延时导入Filed II
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偏转-15自行计算与Fileld II延时对比,符合预期
2、凸阵探头
代码框架与上面一样,发射线为中心线,聚焦深度4cm,结果为
3、相控阵探头
相控阵探头发射线永远位于中心线处,聚焦延时修改为
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发射线为中心处,角度为[-30,0,30],聚焦深度6cm,结果为
总结
设置不同的发射延时,可以实现不同的成像方式,同时将自己计算的发射延时与Field II做对比有助于验证发射延时的正确性。
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