Page 9 - 《应用声学》2021年第1期

第 40 卷 第 1 期 宋亚龙等： 超声平面波经颅成像相位校正方法 5

2.8
௑ᫎԦᣁขᄊ௑णᛪϪ
࠱ጳขᄊ௑णᛪϪ 0.10
2.6
0.05
௑णᛪϪ/ms 2.4 ௑णᛪϪ/ms -0.05 0

2.2
-0.10
2.0
-0.15
0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60
᫼ЋᎄՂ ᫼ЋᎄՂ
(a) ԧ࠱ቫːመவขᄊ௑णᛪϪ (b) ԧ࠱ቫːመவขᄊ௑णᛪϪࣀϙ

图 4 使用近似射线法和时间反转法的时延偏差及其差值
Fig. 4 Time delay deviation and its difference between ray method and time reversal method

60 60
50 50
᫼ЋᎄՂ 40 ᫼ЋᎄՂ 40
30
30
20 20

10 10
0 0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
௑ᫎ/ms ௑ᫎ/ms
(a) ᛪϪҒᄊ௑۫ηՂ (b) ᛪϪՑᄊ௑۫ηՂ
图 5 距离换能器 18 mm 处的声波接收信号
Fig. 5 Received acoustic signals at 18 mm from transducer

3.2 时间反转接收相位校正 的声波幅度和相位不同，此过程可解析求解。接下
平面波经颅成像接收端的相位校正相对于发 来，虚拟线阵各阵元以此相位延迟和幅度发射发散
射端来讲复杂得多，需要对成像区域内的每个像素 波，穿过颅骨到达颅外的换能器阵列，可以近似地代
点进行相位补偿，这就造成了巨量的计算时间和计 替点声源产生的声场，此过程可通过数值模拟结合
算资源，特别是成像区域较大时，不加处理使用传统 声场叠加原理来求解。
的时间反转法更是不符合实际需求的。Ryan等 [11] 图 6(a) 中假设颅脑内侧的虚拟阵列 B 阵元为
将被动声成像焦点处的相位补偿值用于整个成像
N b 个，成像区域内任一像素点 S 可看作一个被动点
区域，这是在成像区域集中于焦点附近时采用的近
声源，该点声源 S 辐射的球面波到达虚拟阵列B，阵
似处理。但平面波声传播路径不同，且成像区域相
列B各阵元接收到的声波信号为 A i s(t − τ i )，其中i
对较大，必须对不同位置分别计算相位补偿量。为
为阵元序号，A i 和 τ i 可由解析解获得。图6(b) 中虚
了减小时间反转的数值计算量，本文提出了基于虚
拟阵列 B 各阵元以 A i s (t − τ i ) 为发射信号进行发
拟线阵的理论 -数值混合算法。由于颅内的脑实质
射，颅骨外的阵列A接收的信号，应与点声源S 直接
部分可以近似为均匀介质，超声在颅脑以内的传播
过程可以用解析方法计算，而超声穿透颅骨传播的 发射时近似相等。实际操作中，阵列 B 中每个阵元
过程则由数值方法求解 [20] 。为此，在颅脑内靠近颅 i 单独发射，阵列 A 阵元接收到信号 Q j (i, t)，j 为阵
骨的位置放置一组虚拟线阵，如图 6 所示。首先，把 元序号，根据声场叠加原理，阵列A 中阵元 j 接收的
颅内一个像素点当作被动点声源，点声源发射的声 声源 S 发射的声波信号 rcv j (t) 可由 Q j (i, t) 通过延
波以球面波形式传播至虚拟线阵，每个虚拟阵元处 迟加权叠加来获取：