Ультразвуковое сканирующее и фокусирующее устройство Советский патент 1990 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в ультразвуковых приборах медицинской диагностики, дефектоскопах и других контрольно-измерительных устройствах, в которых ультразвуковое сканирование производится электронным коммутированием многоэлементной матрицы пьезопреобразователей.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности путем формирования при приеме эхо-сигналов m зон глубины фокусировки за два так-1 та зондирования.

На фиг. 1 представлена структурная схема ультразвукового сканирующего и фокусирующего устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства в режиме сканирования.

Ультразвуковое сканирующее и фокусирующее устройство содержит последовательно соединенные многоэлемгнтную матрицу 1 пьезопреобразователей (например, с числом элементов N-80) и п параллельных каналов 2 групповой коммутации и управляемой задержки. Общее число каналов 2 групповой коммутации и управляемой задержки равно числу элементов многоэлементной матрицы 1 пьезопреобразователей, одновременно коммутируемых в группы п преобразователей, образующих приемно- излучающую апертуру, и составляет, например, . Каждый канал 2 групповой коммутации и управляемой задержки соединен с N/n числом элементов, например 5, многоэлементной матрицы 1 пьезопреобразователей по следующему закону: первый канал 2 групповой коммутации и управляемой задержки подключен к 1, (1+п), (1+2п), (1+Зп), (1+4п)-му элементам, втосл

со со

о

4-

рой - к 2, (2+п), (2+2п), (2+Зп), (2+4п)-му элементам и т.д. Каждый канал 2 групповой коммутации и управляемой задержки выполнен из последо- с вательно соединенных запараллеленных пар, включающих генератор 3 зондирующих импульсов и предусилитель 4 эхо- сигналов., вторые входы-выходы которых подключены к соответствующим эле- jg ментам1многоэлементной матрицы 1 пьезопреобразователей, селектора 5, многоэлементной линии 6 задержки, коммутатора 7, выход которого является выходом канала 2 групповой комму- 75 тации и управляемой задержки, и компаратора 8 а выход которого подключен к входу селектора 5, второй вход - к входу многоэлементной линии 6 задержки, и является синхронизирующим вхо- 20 дом канала 2 групповой коммутации и управляемой задержки, и интерфейса 9, первый и второй входы которого являются входами адреса и данных канала 2 групповой коммутации и управляемой 25 задержки, а выходы подключены к управляющим входам селектора 5. Устройство содержит также тактовый генератор 10, выход которого подключен к синхронизирующим входам каналов 2 ,„ групповой коммутации и управляемой задержки, последовательно соединенные счетчик 11 импульсов и калибратор 12, приемник 13 эхо-сигналов, вход которого подключен к входам тактового генератора 10 и счетчика 11 импульсов и к выходам каналов 2 групповой коммутации и управляемой задержки, запоминающий блок 14, блок 15 управления, соединенный посредством шин адреса и данных с каналами 2 групповой коммутации и управляемой задержки, запоминающим блоком 14 и калибратором 12, третий выход подключен к управляющим входам тактового генератора 10, калибратора 12 и счетчика 11 импульсов, последовательно соединенные триггер 16 и схему 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которой подключен к управляющему входу приемника 13 эхо-сигналов, последовательно сое- 50 диненные формирователь 18 импульсов и второй счетчик 19, второй вход которого подключен к входам триггера 16 и формирователя 18 импульсов и к выходу тактового генератора 10, выход - 55 к второму входу схемы 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, в каналы 2 групповой коммутации и управляемой задержки введен блок 20

35

40

45

„ 0 5

5

0

5

регистров, выходы которого подключены к управляющим входам коммутатора 7, первый и второй входы - к входам адреса и данных канала 2 групповой коммутации и управляемой задержки, третий вход является вторым входом адреса канала 2 групповой коммутации и управляемой задержки и подключен к выходам второго счетчика 19 и триггера 16.

Позициями 21-27 обозначены выходы сигналов с блоков ультразвукового сканирующего и фокусирующего устройства.

Устройство работает следующим образом.

Ультразвуковой луч, сформированный группой элементов многоэлементной матрицы 1 преобразователей, с определенной глубиной фокусировки излучается в исследуемую среду. Эта же группа элементов принимает отраженные эхо-сигналы из среды, во время приема которых глубина фокусировки меняется .

Управление работой устройства осуществляет блок 15 управления, включающий в себя микропроцессор, тактируемый задающим генератором, блоки формирования адреса и данных, блок постоянной памяти и блок управления постоянной памятью. Микропроцессор работает по программе, хранящейся в блоке постоянной памяти, обращение к содержимому блока постоянной памяти осуществляется при помощи блока формирования адреса. Блок управления постоянной памятью дешифрирует часть адресных сигналов с блока формирования адреса и формирует сигналы управления записью (считыванием) информации в/из блока постоянной памяти, интерфейса 9, блока 20 регистров, запоминающего блока 14 и калибратора 12, которая осуществляется по двунаправленным линиям данных через блок формирования данных.

Интерфейсы 9 каналов 2 групповой коммутации и управляемой задержки уп-1 равляют работой селекторов 5, выбира- . ющих один из подключенных к каждому каналу 2 элементов матрицы 1 . Блоки . 20 регистров управляют величиной задержки импульсов запуска и эхо-сигна-. лов на прием в каждом канале 2. Это производится при помощи коммутации отдельных отводов многоотводных линий, 6 задержки коммутаторами 7, управляв мыми с выходов блоки 20 регистров. Та- ким образом, путем записи в интерфейсы 9 и блок 20 регистров специальных цифровых кодов блок 15 управления осуществляет управление работой селекторов 5 и величиной задержки каждого канала 2, определяя тем самым группу пьезопреобразователей, составляющих приемопередающую апертуру, а также глубину и направление фокусировки ультразвукового луча. Для повышения быстродействия устройства при сканировании в реальном масштабе времени блок 15 управления предварительно программно формирует в запоминающем блоке 14 таблицу кодов, реализующих заданный закон сканирования и фокусирования .

Сам процесс сканирования заключается в том, что блок 15 управления считывает из запоминающего блока 14 фрагмент таблицы кодов, записывает его в интерфейс 9 и блок 20 регистров каналов 2 и формирует сигнал запуска (эпюра 21, фиг. 2), по переднему фронту которого тактовый генератор 10 выдает импульс запуска, сбрасывает счетчик 19, инвертирует значение триггера 16 (эпюра 22, фиг. 2) и запускает формирователь 18 импульсов, формирующий га зон фокусировки (эпюра 23, фиг. 2) во время прохождения ультразвука от пьезопреобразователя матрицы 1 до максимальной для данного устройства глубины зондирования и обратно (например, ) . С выхода формирователя 18 импульсы поступают на счетный вход счетчика 19, два старших разряда которого (эпюра 25 и 26, фиг. 2) и сигнал с триггера 16 задают код адреса на блок 20 регистров, т.е. на выходе блока 20 регистров за время приема эхо-сигналов будет сформировано т/2 кодов для коммутатора 7 и, следовательно, т/2 зоны фокусировки ультразвукового луча на прием. По разрешающему сигналу (эпюра 27, фиг. 2) со схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в приемник 13 эхо-сигналов проходят эхо-сигналы т/2 зон (эпюра 27, фиг.2) с каналов 2 групповой коммутации и управляемой задержки (зоны 2,4,6,8). Сигнал разрешения необходим для затирания ложной информации, возникающей при каждой из т/2 задержек на прием. После приема эхо-сигналов формируется второй сигнал запуска, вновь сбрасывается счетчик 19, запускается

5

0

5

0

5

0

5

0

5

формирователь 8 импульсов и инвертируется триггер 16. На коммутатор 7 подаются т/2 других кода для многоэлементных линий 6 задержки. Формируются соответствующие ик т/2 зоны фокусировки ультразвукового луча на прием и т/2 зоны разрешения с выхода схемы 20 приема эхо-сигналов приемником 13 (зоны 1,3,5,7). Таким образом, формируются m зон фокусировки отраженных эхо-сигналов за два запуска ультразвукового луча. После приема эхо-сигналов двух запусков блок 15 управления производит запись новых кодов в интерфейс 9 и блок 20 регистров из запоминающего блока 14. Далее операции повторяются до тех пор s пека не будет исчерпана таблица, т.е. не будет достигнут конец кадра сканирования. Затем блок 15 управления опять переходит к началу таблицы для продолжения сканирования. В каждом канале 2 групповой коммутации и управляемой задержки импульсы запуска подаются на входы компараторов 8 и входы многоэлементных линий б задержки. С выходов коммутаторов 7 импульсы запуска, задержанные в соответствии с кодами в блоках 20 регистров, поступают на вторые входы компараторов 8 и с выходов компараторов 8 на входы запуска селекторов 5, которые под управлением кодов с интерфейсов 9 направляют импульсы запуска на заданную группу генераторов 3 зондирующих импульсов. Генераторы 3 формируют зондирующие импульсы на соответствующие им элементы многоэлементной матрицы 1 преобразователей. Стробируе- мые компараторы 8 обеспечивают защиту от ложных запусков генератора 3 зондирующих импульсов сильными эхо- сигналами с выходов коммутаторов 7. Таким образом осуществляется фокусировка ультразвукового луча ча передачу. Принятые пьезоэлементами матрицы 1 эхо-сигналы поступают через предусилители 4 эхо-сигналов на селекторы 5. Последние подают эхо-сигналы с заданной группы предусилите- лей 4 на входы многоэлементных линий

6задержки. С выходов коммутаторов

7задержанные эхо-сигналы поступают на суммирующий вход приемника 14 эхо- сигналов, который по разрешающим сигналам со схемы 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ их усиливает, детектирует и выдает

на выход для дальнейшего запоминания или отображения.

Для повышения эффективности фокусировки в устройстве предусмотрен режим калибровки. В этом режиме при помощи калибратора 12 производится измерение фактических времен задержек в каждом отдельном канале 2 групповой коммутации и управляемой задержки. В соответствии с полученными отклонениями блок 15 управления корректирует соответствующие элементы таблицы кодов в запоминающем блоке 14. Калибровка производится после каждого включения устройства и периодически в процессе работы, что позволяет избежать разбросу величины задержек, вызванных изменением температурного режима и напряжения питания. Каждый канал 2 групповой коммутации и управляемой задержки калибруется отдельно. Для исключения остальных каналов 2 блок 15 управления блокирует их, записывая в их блоки 20 регистров специальный код. После этого в блок 20 регистров калибруемого канала 2 заносится код времени задержки, фактическое значение которого необходимо измерять. Эту функцию выполняет калибратор 12, к которому предъявляются жесткие требования по точности измерений. Она должна быть не хуже ± 5 не.Измерение времени с такой точностью прямыми методами требует применения высокочастотных измерительных генераторов с час- торой А 2/it, где /jt - допустимая погрешность измерений, а также сверхбыстродействующих счетных схем. Поэтому в калибраторе 12 реализована схема измерения с накоплением результата , которая позволяет уменьшить частоту калибровочного генератора и повысить точность измерений за счет уменьшения случайных погрешностей. Она включает калибровочный генератор, триггер,, схему И, счетчик и интерфейс. В режиме калибровки с блока 15 управления на тактовый генератор 10, счетчик 11 импульсов и калибратор 12 подается сигнал запуска, по переднему фронту которого тактовый генератор 10 выдает короткий импульс запуска на калибруемый канал 2 групповой коммутации и управляемой задержки, а счетчик 11 импульсов, триггер и счетчик калибратора 12 устанавливаются в исходное состояние. Импульс запус- ка, пройдя через многоэлементную линию 6 задержки и коммутатор 7 калиб- руемого канала 2, поступает на счет

0

5

- Q 5

0

5

0

5

ный вход счетчика 11 импульсов и вход запуска тактового генератора 10. Таким образом, в режиме калибровки возникает так называемое синхро- кольцо с периодом следования импульсов, равным времени задержки калибруемого канала 2 групповой коммутации и управляемой задержки и тактового генератора 10. Поскольку погрешность, вносимая временем задержки тактового генератора 10, является аддитивной и действует на все каналы 2 групповой коммутации и управляемой задержки одинаково, то она не вносит искажений в форму ультразвукового луча и может не учитываться. В счетчике 11 импульсов осуществляется подсчет числа Q периодов синхрокольца, в течение которых производится измерение. Триггер калибратора 12, установленный передним фронтом сигнала запуска в единичное состояние, открывает схему И, через которую с выхода калибровочного генератора импульсы счета подаются на счетчик калибратора 12. При прохождении по синхрокольцу заданного числа Q периодов, в течение которых производится измерение, на выходе счетчика 11 импульсов появляется сигнал переноса. Он переводит триггер калибратора 12 в нулевое состояние, прекращая тем самым счет импульсов калибровочного генератора в счетчике калибратора 12. Блок 15 управления через интерфейс калибратора 12 опрашивает выход триггера и, когда сигнал на его выходе становится равным нулю, считывает содержимое счетчика калибратора 12, снимая сигнал запуска. Затем блок 15 управления вычисляет фактическое время задержки, полученное при калибровке,, по формуле

1

Ttp VQ

где fK

q Q

частота калибровочного генератора J

содержимое счетчика калибратора 12,

число периодов измерений калибратора 12.

В результате калибровки блок 15 управления корректирует соответствующие элементы исходной таблицы кодов, хранящейся в запоминающем блоке 14, и переходит в режим сканирования.

Изобретение позволяет за счет применения многоступенчатой фокусировки получить узкий коллимированный ультразвуковой луч и обеспечить равномерную и высокую разрешающую способность устройства при высокой частоте сканирования по всей области ультразвукового обзора, что дает возможность осуществлять количественный анализ параметров тканей биологических объектов.

Формула изобретения )

Ультразвуковое сканирующее и

.фокусирующее устройство, содержащее последовательно соединенные многоэлементную матрицу пьезопреоб- разователей и параллельных каналов групповой коммутации и управляемой задержки, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных запараллеленных пар, включающих генератор зондирующих импульсов и предусилитель эхо-сигналов, вторые входы-выходы которых подключены к соответствующим элементам многоэлементной матрицы пьезопреобразователей, селектора, многоэлементной линии задержки, коммутатора, выход которого является выходом канала групповой коммутации и управляемой задержки, и компаратора, выход которого подключен к входу селектора, второй вход - к входу многоэлементной линии задержки и является синхронизирующим входом канала групповой коммутации и управляемой задержки, и интерфейса первый и второй входы которого являются входами адреса и данных канала групповой коммутации и управляемой задержки, а выходы подключены к управляющим входам селектора, тактовый

генератор, выход которого подключен к синхронизирующим входам каналов групповой коммутации и управляемой задержки, последовательно соединенные счетчик импульсов и калибратор, приемник эхо-сигналов, вход которого подключен к входам тактового генератора и счетчика импульсов и к входам каналов групповой коммутации и управляемой задержки, запоминающий блок и блок управления, соединенный шиной адреса и данных с запоминающим блоком, каналами группой коммутации и управляемой задержки и калибратором, третий выход подключен к управляющим входам тактового генератора, калибратора и счетчика импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности при высокой частоте сканирова1- ния, оно снабжено последовательно соединенными триггером и схемой ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которой подключен к управляющему входу приемника эхо-сигналов, последовательно соединенными формирователем импульсов и вторым счетчиком, второй вход которого подключен к входам триггера и формирователя импульсов и выходу тактового генератора, выход - к второму входу схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а каждый канал групповой коммутации и управляемой задержки снабжен блоком регистров, выходы которого подключен к управляющим входам коммутатора, первый и второй входы - к входам адреса и данных канала групповой коммутации и управляемой задержки, третий вход является вторым входом адреса канала групповой коммутации и управляемой задержки и подключен к выходам второго счетчика и триггера.

Изобретение относится к ультразвуковой технике. Целью изобретения является повышение разрешающей способности при высокой частоте сканирования за счет формирования при приеме эхо-сигналов M зон глубины фокусировки за два такта зондирования. Использование в устройстве блока регистров, триггера, блока формирования импульсов, счетчика и схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ обеспечивает управление работой многоэлементной линией задержки и приемником эхо-сигналов для получения многоступенчатой фокусировки ультразвукового луча при приеме эхо-сигналов. Это позволяет осуществить равномерную разрешающую способность прибора по всей области ультразвукового обзора при высокой частоте сканирования и перейти к количественному анализу параметров тканей биологических объектов. 2 ил.