Page 79 - 《应用声学》2021年第2期

第 40 卷 第 2 期 张玉等： 乳腺超声断层成像系统的有限元仿真分析 247

在超声断层成像中，主要是利用渡越时间和幅 本次实验中 256个超声换能器等角度环形分布
值衰减进行图像重建，发射信号和接收信号最大幅 于乳腺四周，计算得出接收换能器旋转角度增量为
值处的时间差为渡越时间，最大幅值之比为衰减的 1.4 ，发射换能器与任一接收换能器射线间隔 λ 为
◦
程度 [9] 。仿真结束后，得到每个接收换能器的终端 0.7 ，符合等角扇束滤波反投影算法的重建规律，可
◦
电压和透射原始数据。本次实验利用幅值衰减进行 以利用此算法进行图像重建。将 256 次发射后得到
图像重建，一次发射可以得到255组接收信号，记录 的接收信号矩阵代入算法中进行重建，结果见图 8。
下每个接收信号前 5 个周期中的最大幅值，将幅值 可以看出，重建图像精度较高，分析发现与待重建图
衰减取对数得到投影数据，经过 256次发射之后，得 像即实验设计的模型一致，能分辨出铁块的位置。
到一组完整的接收信号矩阵。图6分别为第1 个、第
64 个、第 128 个和第 192 个换能器发射时，正对面 5
个换能器接收的信号。超声波在不同介质中传播速
度不同，在密度高的介质中传播速度快，分析看出，
同一个换能器发射，不同位置接收的信号幅值不同，
而由于障碍物对超声波的遮挡，使得换能器接收到
的信号差别较大。

3 图像重建

图 8 等角扇束滤波反投影重建图像
等角扇束系统示意图如图 7 所示，射线源位置
Fig. 8 Reconstructed image by equal angle fan beam
S 0 ，探测器分布在圆弧上，各探测器单元性能一致，
发射源中心线左右扇面张开的角度都相同，扇形束 4 结论
呈等角度分布，射线 S 0 E 的位置由 (β, γ)决定，等角
扇束重建公式 [10] 为 本文利用 COMSOL Multiphysics 多物理场仿
真软件，模拟了一个 256 个换能器呈环形分布的乳
∫ 2π
1 [ f ]
f(r, ϕ) = p (γ, β) D cos γ 腺癌检测环境。采用一个换能器发射、其余 255 个
L 2
0
γ 2 换能器接收的方式进行仿真模拟，提取了 256 组超
× 2 h (γ) dβ, (6) 声换能器接收信号组成信号矩阵。通过等角扇束滤
2 sin γ
波反投影算法进行图像重建，根据重建图像，可以较
其中，重建图像点 M(r, ϕ)，S 0 M 长度为 L，S 0 E 的
清晰地分辨出软组织和铁块障碍物的位置、形状和
f
投影为p (γ, β)，D 表示S 0 到旋转中心的距离。
大小，经过比对，重建结果与仿真模型一致，且重建
图像精度较高。验证了换能器呈 360 排列、进行环
◦
y
形扫描的方式可行。
S 0
L
γ m
γ
γ m
β M↼r֒φ↽ 参 考 文 献
θ
D o x
E
[1] Shah R, Rosso K, Nathanson D. Pathogenesis, preven-
tion, diagnosis and treatment of breast cancer[J]. World
D 0
Journal of Clinical Oncology, 2014, 5(3): 283–298.
[2] Wu C C, Li M N, Meng H B, et al. Analysis of status
and countermeasures of cancer incidence and mortality
in China[J]. Science China (Life Sciences), 2019, 62(5):
图 7 等角扇束系统示意图
640–647.
Fig. 7 Schematic diagram of isometric fan beam [3] Khairi M T M, Ibrahim S, Yunus M A M, et al. Ul-
system trasound computed tomography for material inspection: