本發(fā)明涉及超聲換能器性能測試，具體涉及一種超聲換能器的脈沖回波性能表征方法、系統(tǒng)及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、超聲換能器可以實現(xiàn)電信號與振動信號的相互轉(zhuǎn)換，是實現(xiàn)醫(yī)用超聲影像技術(shù)的關(guān)鍵部件。隨著國內(nèi)醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展，對高性能醫(yī)用超聲換能器的技術(shù)研究需求急劇增加，性能表征能夠評價換能器的性能優(yōu)劣，指導(dǎo)開發(fā)過程中后續(xù)的優(yōu)化方向。對于超聲換能器最基本的靈敏度、帶寬、中心頻率、波長等參數(shù)的檢測，目前最常用有效的方法為脈沖回波法。超聲波對人體組織結(jié)構(gòu)信息的獲取都是依靠脈沖回波信號，這種方式的優(yōu)勢在于可以同時獲取目標(biāo)組織的位置以及聲學(xué)信息，以便完整的了解組織中可能存在的特殊結(jié)構(gòu)。通過脈沖回波法來獲取換能器在單一均勻介質(zhì)中的脈沖回波信號，以此來判斷該換能器所激發(fā)的脈沖波性能是否達到使用標(biāo)準(zhǔn)。

2、基于脈沖回波法對超聲換能器進行性能表征，通常是激發(fā)陣列式換能器中的某一陣元，靶件產(chǎn)生的回波被陣元表面接收，經(jīng)過放大電路并將其傳輸?shù)绞静ㄆ魃希谑褂檬静ㄆ鞯膄ft函數(shù)進行計算后，示波器將顯示脈沖回波信號及其傅里葉變換曲線。假設(shè)將激勵陣元與靶件看作為一個理想的成像系統(tǒng)，壓電晶片振動所產(chǎn)生的聲波經(jīng)過各級匹配層傳播至陣元表面處時，該聲波應(yīng)為具有一定范圍的球面波。上述球面波在理想的成像系統(tǒng)中，從不均勻介質(zhì)所在目標(biāo)面中點源所輻射出的能量將集中在陣元平面中的某一范圍，這是一個沒有能量擴散的“理想球面”。

3、在實際情況中，利用超聲探頭在脈沖回波模式下對被檢測介質(zhì)進行成像時，由于聲波在介質(zhì)中的傳播會產(chǎn)生一定的擴散現(xiàn)象，會使得“理想球面”被放大。若接收面為一個無限大的平面，無論聲波如何擴散，都可以沒有能量損失的接收到所有的振動信號。在實際情況中，用于接收的收發(fā)陣元面積較小，聲波的擴散范圍會超過接收陣元的表面面積，從而丟失掉一些本應(yīng)該收集到的振動信號。在不考慮陣元之間相互產(chǎn)生電串?dāng)_的情況下，激勵陣元表面無法完全接收到脈沖回波的振動信號，從而丟失了在某些頻率上的振幅信息，進而影響后續(xù)處理以及性能表征精度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種超聲換能器的脈沖回波性能表征方法、系統(tǒng)及設(shè)備，以解決如何提高超聲換能器性能表征精度的問題。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種超聲換能器的脈沖回波性能表征方法，所述方法包括：

3、獲取對超聲換能器進行脈沖激勵后靶件反射的脈沖回波信號，并將脈沖回波信號中不同頻率的波形進行分離，得到不同頻率的諧波信號；

4、基于球形波的波前傳播規(guī)律將分離出的諧波信號分配在激勵陣元表面，得到脈沖回波信號在激勵陣元表面的映射分布；

5、根據(jù)陣元輻射在預(yù)設(shè)介質(zhì)中的聲場來計算激勵陣元與靶件在預(yù)設(shè)傳播介質(zhì)中所組成成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)；

6、基于所述點擴散函數(shù)對所述脈沖回波信號在激勵陣元表面的映射分布進行反卷積迭代處理，得到等效于無限大接收面的回波信號分布；

7、將所述等效于無限大接收面的回波信號分布進行反傅里葉變換，得到修正后的脈沖回波信號來表征超聲換能器的脈沖回波性能。

8、本實施例提供的超聲換能器的脈沖回波性能表征方法，結(jié)合聲波在介質(zhì)中的擴散現(xiàn)象以及線性超聲成像系統(tǒng)的卷積特性，對陣列式超聲換能器在脈沖回波測試中，對激勵陣元實際接收到回波信號與無限大平面所接收到回波信號之間的關(guān)系進行分析，并利用反卷積技術(shù)來修正在脈沖回波測試中所采集到的振動信息，從而提高超聲換能器的性能表征精度，且計算量小，處理速度快。

9、在一種可選的實施方式中，所述基于球形波的波前傳播規(guī)律將分離出的諧波信號分配在激勵陣元表面，包括：

10、將超聲換能器的激勵陣元表面劃分為與諧波信號的數(shù)量相同的子陣；

11、在激勵陣元表面建立二維坐標(biāo)系，按照高頻諧波信號與激勵陣元表面預(yù)設(shè)中心區(qū)域的子陣所對應(yīng)，低頻諧波信號與激勵陣元表面預(yù)設(shè)邊緣區(qū)域的子陣所對應(yīng)的規(guī)則，將分離出的諧波信號按照頻率大小均勻的映射在所述激勵陣元表面上，其中所述高頻諧波信號和所述低頻諧波信號根據(jù)激勵陣元表面的中心頻率確定。

12、本發(fā)明實施例通過基于球形波的波前傳播規(guī)律將不同頻率的諧波信號分配在不同的子陣上，實現(xiàn)分離出的諧波信號按照頻率大小均勻的映射在陣元表面上，用于后續(xù)的反卷積處理。

13、在一種可選的實施方式中，所述脈沖回波信號在激勵陣元表面的映射分布s(x,y)，通過以下公式表示：

14、

15、其中，x,y表示信號映射在激勵陣元表面上的坐標(biāo)，g(x,y)表示成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)，表示二維卷積算子，f(x,y)表示基于無限大接收面的回波信號分布。

16、本發(fā)明實施例通過建立脈沖回波成像的卷積表達式表示有限與無限大接收面信號之間的關(guān)系，用于后續(xù)的處理。

17、在一種可選的實施方式中，所述根據(jù)陣元輻射在預(yù)設(shè)介質(zhì)中的聲場來計算激勵陣元與靶件在預(yù)設(shè)傳播介質(zhì)中所組成成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)，包括：

18、利用矩形陣元在液體介質(zhì)中的預(yù)設(shè)邊界條件，推導(dǎo)出點擴散函數(shù)與聲場之間的關(guān)系式；

19、基于多元高斯聲束模型計算單個矩形陣元在均勻介質(zhì)中的三維空間聲場分布；

20、將所述點擴散函數(shù)與聲場之間的關(guān)系式與所述三維空間聲場分布相結(jié)合，得到所述激勵陣元在液體介質(zhì)中成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)。

21、本發(fā)明實施例結(jié)合聲波在介質(zhì)中的擴散現(xiàn)象以及線性超聲成像系統(tǒng)的卷積特性，對陣列式換能器在脈沖回波測試中，陣元實際接收到回波信號與無限大平面所接收到回波信號之間的關(guān)系進行分析，并利用矩形陣元在液體介質(zhì)中的邊界條件推導(dǎo)出了點擴散函數(shù)與聲場之間的關(guān)系式，再與基于多元高斯聲束模型的穩(wěn)態(tài)聲場計算方法相結(jié)合，得到激勵陣元在水中成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)。

22、在一種可選的實施方式中，所述點擴散函數(shù)與聲場之間的關(guān)系式表示為：

23、

24、其中，v0表示超聲換能器表面的速度振幅，ω表示激勵陣元表面的中心頻率，ρ表示液體介質(zhì)的密度，i表示虛數(shù)部，h(x,y,z)表示三維空間聲場分布，其表示為：

25、

26、其中，k表示波數(shù)，c表示聲波在液體介質(zhì)中的聲速，a表示陣元在x軸方向上的長度，b表示陣元在y軸方向上的長度，f表示陣元的中心頻率，z為三維空間坐標(biāo)中的z軸長度，al(n),bl(n)表示25組復(fù)值系數(shù)。

27、在一種可選的實施方式中，基于點擴散函數(shù)采用richardson-lucy算法，通過設(shè)置預(yù)設(shè)迭代收斂條件，對脈沖回波信號在激勵陣元表面的映射分布進行反卷積迭代計算，得到最優(yōu)的等效于無限大接收面的回波信號分布。

28、本發(fā)明實施例中，采用richardson-lucy算法對s(x,y)進行反卷積迭代計算。該方法處理速度快，能夠確保對超聲換能器進行脈沖回波測試的效率，更符合行業(yè)內(nèi)的實際應(yīng)用。

29、第二方面，本發(fā)明提供了一種超聲換能器的脈沖回波性能表征系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

30、諧波信號獲取模塊，用于獲取對超聲換能器進行脈沖激勵后靶件反射的脈沖回波信號，并將脈沖回波信號中不同頻率的波形進行分離，得到不同頻率的諧波信號；

31、脈沖回波信號映射模塊，用于基于球形波的波前傳播規(guī)律將分離出的諧波信號分配在激勵陣元表面，得到脈沖回波信號在激勵陣元表面的映射分布；

32、點擴散函數(shù)計算模塊，用于根據(jù)陣元輻射在預(yù)設(shè)介質(zhì)中的聲場來計算激勵陣元與靶件在預(yù)設(shè)傳播介質(zhì)中所組成成像系統(tǒng)的點擴散函數(shù)；

33、反卷積迭代處理模塊，用于基于所述點擴散函數(shù)對所述脈沖回波信號在激勵陣元表面的映射分布進行反卷積迭代處理，得到等效于無限大接收面的回波信號分布；

34、脈沖回波性能表征模塊，用于將所述等效于無限大接收面的回波信號分布進行反傅里葉變換，得到修正后的脈沖回波信號來表征超聲換能器的脈沖回波性能。

35、第三方面，本發(fā)明提供了一種超聲換能器的脈沖回波性能表征設(shè)備，包括：存儲器和處理器，存儲器和處理器之間互相通信連接，存儲器中存儲有計算機指令，處理器通過執(zhí)行計算機指令，從而執(zhí)行上述第一方面或其對應(yīng)的任一實施方式的超聲換能器的脈沖回波性能表征方法。

36、第四方面，本發(fā)明提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，該計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機指令，計算機指令用于使計算機執(zhí)行上述第一方面或其對應(yīng)的任一實施方式的超聲換能器的脈沖回波性能表征方法。

37、第五方面，本發(fā)明提供了一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機指令，計算機指令用于使計算機執(zhí)行上述第一方面或其對應(yīng)的任一實施方式的超聲換能器的脈沖回波性能表征方法。