一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的方法及系统与流程

本发明涉及超声探头检测技术领域，尤其涉及一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的方法及系统。

背景技术：

超声探头是在超声波检测过程中发射和接收超声波的装置。探头的性能直接影响超声波的特性，影响超声波的检测性能。

超声探头构成如图1所示，主要由换能器、匹配层和透镜组成。超声探头匹配层可将声能更多的传递到组织，增加超声波的传播距离。其本质是通过匹配层阻抗，实现超声换能器声阻抗与人体组织声阻抗的耦合，增强传播到人体组织中的超声波能量。超声探头匹配层材料决定了匹配层的声阻抗，因而评估匹配层阻抗的选择对超声图像的穿透至关重要。

当前对超声探头匹配层阻抗的评估方法主要是利用反射靶采集超声换能器透镜聚焦处回波信号幅度来刻画匹配层阻抗的优劣。该种方法受制于声学非线性与声轴对齐精度，且操作复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的方法及系统。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的方法，包括步骤：

s1.获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；

s2.将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面的通道透镜回波信号，并记录超声探头的匹配层编号以及通道透镜回波峰值；

s3.根据记录的通道透镜回波峰值，判断是否需要更改超声探头的匹配层阻抗，若是，则执行步骤s1-s2；若否，则执行步骤s4；

s4.将所述通道透镜回波峰值所对应的匹配层作为最终的超声探头匹配层。

进一步的，所述步骤s1之前还包括：探头板与脉冲发射器连接，探头连接器安装于所述探头板中，所述探头连接器与超声探头连接，超声探头与示波器连接，所述超声探头置于空气中。

进一步的所述步骤s2中记录的通道透镜回波峰值为通道透镜回波信号的最大值。

进一步的，所述步骤s2中记录的匹配编号为超声探头匹配层不同材料。

进一步的，所述步骤s3中判断是否需要更改超声探头的匹配层阻抗具体为判断所有材料匹配层是否未检测完毕，若否，则执行步骤s1-s2；若是，则执行步骤s4。

相应的，还提供一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的系统，包括步骤：

获取模块，用于获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；

记录模块，用于将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面的通道透镜回波信号，并记录超声探头的匹配层编号以及通道透镜回波峰值；

判断模块，用于根据记录的通道透镜回波峰值，判断是否需要更改超声探头的匹配层阻抗；

匹配层模块，用于将所述通道透镜回波峰值所对应的匹配层作为最终的超声探头匹配层。

进一步的，还包括：

连接模块，用于使探头板与脉冲发射器连接，探头连接器安装于所述探头板中，所述探头连接器与超声探头连接，超声探头与示波器连接，所述超声探头置于空气中。

进一步的，所述记录模块中记录的通道透镜回波峰值为通道透镜回波信号的最大值。

进一步的，所述记录模块中记录的匹配编号为超声探头匹配层不同材料。

进一步的，所述判断模块中判断是否需要更改超声探头的匹配层阻抗具体为判断所有材料匹配层是否未检测完毕。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、实现超声探头匹配层阻抗的快速评估；减少超声探头的优化迭代设计周期；

2、减低超声探头优化迭代设计成本；

3、规避声学非线性对超声探头匹配层阻抗评估的影响；

4、无需声轴对齐与反射靶，操作简单快速。

附图说明

图1是背景技术提供的超声探头构成示意图；

图2是实施例一提供的一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的方法流程图；

图3是实施例二提供的一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的系统结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的方法及系统。

实施例一

本实施例提供的一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的方法，如图2所示，包括步骤：

s11.获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；

s12.将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面的通道透镜回波信号，并记录超声探头的匹配层编号以及通道透镜回波峰值；

s13.根据记录的通道透镜回波峰值，判断是否需要更改超声探头的匹配层阻抗，若是，则执行步骤s11-s12；若否，则执行步骤s14；

s14.将所述通道透镜回波峰值所对应的匹配层作为最终的超声探头匹配层。

在步骤s11之前还包括：探头板与脉冲发射器连接，探头连接器安装于所述探头板中，探头连接器与超声探头连接，超声探头与示波器连接，超声探头置于空气中。

本实施例通过探头板与脉冲发射器连接，探头连接器安装于所述探头板中，探头连接器与超声探头连接，超声探头与示波器连接，进而组成超声探头系统。

在步骤s11中，获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形。

当搭建好超声探头系统后，根据所要求值对脉冲发射器中面板上各开关、旋钮进行调节，进而设置脉冲发射器的参数，使得脉冲发射器生成窄脉冲波形。其中调节包括频率、脉宽、延迟，过渡时间、幅度和偏移、倒置等操作。

当生成窄脉冲波形后，超声探头系统获取并存储该窄脉冲波形，并执行步骤s12。

在步骤s12中，将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面的通道透镜回波信号，并记录超声探头的匹配层编号以及通道透镜回波峰值。

将超声探头置于空气中，并以步骤s11中生成的窄脉冲波形作为超声探头的发射波形，此时与超声探头连接的示波器采集超声探头表面的通道透镜回波信号，超声探头系统将获取示波器采集的通道透镜回波信号，并记录超声探头的匹配层编号以及通道透镜回波峰值。

在本实施例中，通道透镜回波峰值即为通道透镜回波信号的最大值。

在本实施例中，匹配层编号用于记录探头匹配层不同材料，仅仅作为材料的标识，每种材料记录方式为(编号，透镜回波峰值)。在检测开始前，已事先准备了所需要的检测的多种材料匹配层，比如硅、石墨、玻璃等。例如，第一次测量的探头匹配层材料为硅，透镜回波峰值为0.6，其对应的匹配层编号为1，记录形式为(1,0.6)；第二次测量的探头匹配层材料为石墨，透镜回波峰值为0.8，其对应的匹配层编号可为2，记录形式为(2,0.6)；第三次测量的探头匹配层材料为玻璃，透镜回波峰值为0.4，其对应的匹配层编号可为3，记录形式为(3,0.4)。根据透镜回波峰值最大原则，石墨为最佳的匹配层材料。其中可按检测顺序设定匹配层的编号。

在步骤s13中，根据记录的通道透镜回波峰值，判断是否需要更改超声探头的匹配层阻抗，若是，则执行步骤s11-s12；若否，则执行步骤s14。

判断是否需要更改超声探头的匹配层阻抗具体为若未检测完毕事先准备的所有材料匹配层，则更换下一种材料的匹配层继续检测，直到所有匹配层检测完毕。

在步骤s14中，将通道透镜回波峰值所对应的匹配层作为最终的超声探头匹配层。

由于超声探头透镜表面的阻抗与空气声阻抗值的不匹配，声波会被反射而形成透镜回波。该透镜回波幅度大小与超声探头匹配层阻抗相关，匹配层阻抗选择越合理，传入透镜层的声能越大，则透镜回波幅度越大。利用这一原理，透镜回波幅度可作为评估超声探头匹配层阻抗是否合理的标准。因此，采集不同匹配层下超声探头透镜回波，透镜回波峰值越大，则说明该材料匹配层越好。，所以选择透镜回波峰值最大的匹配层做为最佳的超声探头匹配层。

超声探头中匹配层的作用是通过阻抗匹配使更多的声能进入到透镜。因而，选择匹配层的阻抗至关重要，其受制于压电陶瓷和透镜的阻抗。即匹配层目的是实现压电陶瓷阻抗到透镜阻抗的平滑过渡。匹配层阻抗选择越合理，入射到透镜层的声波越强。根据声波发射定律，在介质阻抗保持不变情况下，入射波幅度越大，则反射波幅度也越大。故入射到透镜层的声波越强，则在透镜与空气表面的反射波(即透镜回波)幅度越大。

本实施例利用超声探头透镜表面与空气因阻抗不匹配产生的透镜回波强度评估探头匹配层阻抗。

探头透镜与空气声阻抗不匹配的原理，具体为：

声阻抗用于刻画介质对声波传播的阻碍程度，不同介质声阻抗不一样。声阻抗可表示为：

z＝ρ·vs

其中，ρ表示介质密度；vs表示声波在介质中的传播速度。

当空气和透镜的密度相差很大时，空气和透镜中声波传播速度相差也很大，故探头透镜和空气的声阻抗不相等，即不匹配。

产生透镜回波的方法具体为：

透镜回波本质为声波在阻抗不匹配界面出现的声学反射现象，其原理与光学反射一致。

超声换能器通过压电效应将电信号转换为声波，并传播。发射波形电信号作用到换能器上，换能器通过逆压电效应转换为声波，声波进入透镜，在透镜与空气界面产生透镜反射波，反射波作为声波反向传播至换能器表面。换能器通过正压电效应将透镜反射波转换为透镜回波电信号，即为透镜回波。

在现有技术中通过反射靶回波采集超声换能器透镜聚焦处回波信号幅度来刻画匹配层阻抗的优劣，该种方法受制于声轴对齐精度以及声学非线性的影响。

然而本实施例为了保证发射波形带宽覆盖超声探头带宽，采用窄脉冲发射。直接采用探头透镜表面回波，探头透镜与换能器表面的声程为毫米级，故探头透镜表面回波声程很短，声波可近似为线性传播，波形畸变可以忽略，排除了声学非线性对超声探头匹配层阻抗评估的影响。

本实施例采用透镜回波测量带宽不需要声轴对齐，直接将探头置于空气即可，规避了有技术中声轴对齐精度对超声探头匹配层阻抗评估的制约。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

1、本实施例直接采用探头透镜表面回波，由于探头透镜与换能器表面的声程为毫米级，故声波传播距离很短，波形畸变可以忽略，进而规避声学非线性对超声探头匹配层阻抗评估的影响；

2、本实施例采用的透镜回波测量带宽不需要声轴对齐，直接将探头置于空气即可，消除了现有技术中声轴对齐精度对超声探头匹配层阻抗评估的制约；

3、本实施例利用超声探头透镜表面与空气因阻抗不匹配产生的透镜回波强度评估探头匹配层阻抗，实现超声探头匹配层阻抗的快速评估；减少超声探头的优化迭代设计周期；且减低超声探头优化迭代设计成本。

实施例二

本实施例提供一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的系统，如图3所示，包括步骤：

获取模块11，用于获取脉冲发射器生成的窄脉冲波形，并存储所述窄脉冲波形；

记录模块12，用于将所述窄脉冲波形作为发射波形，并获取示波器采集的超声探头表面的通道透镜回波信号，并记录超声探头的匹配层编号以及通道透镜回波峰值；

判断模块13，用于根据记录的通道透镜回波峰值，判断是否需要更改超声探头的匹配层阻抗；

匹配层模块14，用于将所述通道透镜回波峰值所对应的匹配层作为最终的超声探头匹配层。

进一步的，还包括：

连接模块，用于使探头板与脉冲发射器连接，探头连接器安装于所述探头板中，所述探头连接器与超声探头连接，超声探头与示波器连接，所述超声探头置于空气中。

需要说明的是，本实施例提供的一种基于透镜回波评估超声探头匹配层阻抗的系统与实施例一类似，在此不多做赘述。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、实现超声探头匹配层阻抗的快速评估；减少超声探头的优化迭代设计周期；

2、减低超声探头优化迭代设计成本；

3、规避声学非线性对超声探头匹配层阻抗评估的影响；

4、无需声轴对齐与反射靶，操作简单快速。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。