Page 140 - 《应用声学》2022年第1期
P. 140

136                                                                                  2022 年 1 月


             CT 图像经旋转处理后截取了 58 × 76 个网格的区                      长的 1/10)，满足数值计算的收敛性和稳定性条件，
             域，再经插值处理使模型的网格间距符合数值模                             总迭代步数为 10001，计算总时长 50 µs。本文重点
             拟算法的要求，最终形成的模型区域网格点数为                             考察颅骨对声波相位畸变的影响和校正，而没有对
             913 × 1201，网格点间距 0.03 mm，模型区域对应的                  幅度衰减做处理，因此仿真算法中没有考虑颅骨对
             空间范围为 27.4 mm×36.0 mm。将颅内外其他软                     声波能量的吸收作用。实际中颅骨对声波幅度的衰
             组织看作均匀介质，设置为人体软组织平均参数；颅                           减是影响成像的重要因素，作者将在后续工作中考
             骨部分则根据 CT 值(反映组织对 X射线的吸收率，                        虑幅度衰减的补偿办法。
             单位为 HU) 与颅骨声学参数的线性变换关系                    [16] ，      利用以上仿真软件，分别在有颅骨和无颅骨的
             逐点计算对应的声速和密度，建立非均匀颅骨声参                            模型中，使换能器阵列以 −8 ∼ 8 、间隔 2 、共计
                                                                                              ◦
                                                                                         ◦
                                                                                                      ◦
             数模型，仿真所用具体介质参数见表 1                [27−29] 。注意     9 个不同偏转角度发射平面波，仿真计算声传播过
             此处横波速度和密度参数用于声场的数值仿真计                             程，记录换能器各阵元处的回波数据。完成一组计
             算，而在成像和相位校正中只考虑反射波的首波相                            算后，根据模型中各目标点不同的速度和方向，计
             位，只需用到介质纵波声速。                                     算目标点移动后的位置，重复多角度平面波发射

                                                               的声场仿真计算，记录回波数据。对每组仿真计算
                      表 1   数值仿真中用到的声参数
                                                               得到的回波数据，利用前文所述的相干复合成像
                Table 1 Acoustic parameters used in nu-
                                                               方法和相位校正方法分别成像，成像区域空间范围
                merical simulation
                                                               为横向大小为 12 mm (−6 ∼ 6 mm)，纵向大小为
                           密度/       纵波速度/      横波速度/          16 mm (12 ∼ 28 mm)。对目标点位置发生变化的
                              3
                          (kg·m )    (m·s −1 )   (m·s −1 )
                                                               前后两帧图像，设成像帧频为 1 kHz，即两幅图像
                        最大值 1600    最大值 3000    最大值 1500
                颅骨                                             成像时间间隔为 1 ms，利用散斑跟踪法进行速度矢
                        最小值 1000    最小值 1500     最小值 0
                                                               量成像。散斑跟踪计算过程中，采用的参考窗大小
               背景介质        1000        1540         0
                                                               为 1 mm×0.3 mm (横向 × 纵向)，搜索窗口大小为
               散射目标        1500        1600         0
                                                               2 mm×1.3 mm (横向×纵向)。
                 为了比较和分析不同速度、不同方向运动目标
                                                               2.2  体模实验
             的成像效果，设置了规则排列的散射目标转动模型，
             如图 5 中绿色点所示。每个目标为直径 0.32 mm 的                         体模实验平面如图 6(a) 所示，主要装置包括计
             实心圆，声速和密度略大于背景介质声速与密度，见                           算机及超声成像系统、线阵换能器、三轴扫描装置
             表1。目标大小约为成像所用超声波的一个波长，可                           及固定夹具、仿真颅骨及成像线靶等。超声成像系
             将其看作点散射目标。目标点共 40 个每 5 个一组，                       统 (深圳华声，四叶草) 具备 64 个独立通道，可控制
             以成像区域的中心点 (0,20 mm) 为圆心，沿周向 8                     线阵换能器 (L15-4)的64个阵元发射超声并接收回
             个方向均匀排列，即以 x 轴正方向为起始角，每组                          波信号。实验时由计算机向成像系统发送指令，设
             目标点对应的周向角度依次为 0、π/4、π/2、3π/4、                     置发射和采集参数，成像系统采集的回波信号经正
             π、5π/4、3π/2、7π/4；组内 5 个点所在半径依次为                   交调制 (IQ) 后传输至计算机存储，用于后续的成像
             1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。这些点组成的                   处理。线阵换能器及仿真颅骨利用夹具固定于水槽
             圆盘绕圆心顺时针旋转，角速度为 100 rad/s，则从                      中，成像线靶与步进电机驱动的三轴扫描装置相连，
             圆心向外目标点的线速度依次为 0.1 m/s、0.2 m/s、                   由计算机控制扫描装置移动线靶位置，以模拟颅内
             0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s。                          的运动目标。
                 本文使用 fortran 语言编写的空间四阶精度与                         换能器、仿真颅骨和线靶的位置关系如图 6(b)
             时间二阶精度的交错网格时域有限差分程序，求解                            所示，换能器与仿真颅骨距离约 1 mm 左右，与线
             线性弹性波方程，模型外边界处利用卷积完美匹配                            靶距离约 25 mm。仿真颅骨为环氧树脂制成的平
                                                                                              3
                                                                                                     3
             层 (Convolution perfectly matched layer, CPML)     板，厚度7.06 mm，密度为1.25 × 10 kg/m ，声速为
             处理以消除反射。计算中时间步长取0.005 µs，空间                       2700 m/s。为了增强成像目标反射能量，成像线靶
             步长为 0.03 mm (约等于声波在背景介质中传播波                       由平行排列的铜丝组成，每条靶线直径约1 mm，延
   135   136   137   138   139   140   141   142   143   144   145