超声成像波束形成的基本理论
声学中的波动方程与波束形成分析
声学中的波动方程与波束形成分析引言：声学是研究声波在介质中传播和产生的学科，而波动方程是描述波动现象的基本方程之一。
本文将探讨声学中的波动方程以及与之相关的波束形成分析。
一、声学中的波动方程声学中的波动方程是描述声波在介质中传播的方程。
它是根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律推导出来的。
声学中的波动方程可以写成如下形式：∇²p - 1/c² ∂²p/∂t² = 0其中，p是声压，c是声速，∇²是拉普拉斯算子，∂²p/∂t²是声压的时间二阶导数。
这个方程描述了声波在介质中的传播过程。
二、波束形成分析波束是指声波在传播过程中由于介质的非均匀性而发生的聚焦现象。
波束形成分析是研究波束形成的原理和方法。
下面将介绍几种常见的波束形成分析方法。
1. 声源阵列声源阵列是一种通过控制多个声源的相位和幅度来实现波束形成的技术。
通过调节声源的相位和幅度，可以使得声波在特定方向上相干叠加，形成一个强大的波束。
声源阵列广泛应用于声纳、超声医学成像等领域。
2. 相控阵相控阵是一种利用多个传感器阵列来实现波束形成的技术。
通过调节传感器的相位差，可以实现对声波的定向接收和发射。
相控阵在声纳、雷达等领域有着重要的应用。
3. 自适应波束形成自适应波束形成是一种利用信号处理技术对波束进行实时调整的方法。
通过对接收到的声波信号进行分析和处理，可以实现对波束形状和方向的自动调整。
自适应波束形成在无线通信、声纳等领域有着广泛的应用。
结论：声学中的波动方程是描述声波在介质中传播的基本方程，它可以通过质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律推导得出。
波束形成分析是研究波束形成的原理和方法，包括声源阵列、相控阵和自适应波束形成等技术。
波束形成在声纳、超声医学成像等领域具有重要的应用价值。
通过对声学中的波动方程和波束形成分析的研究，可以更好地理解声波在介质中的传播过程，并为相关领域的应用提供理论基础和技术支持。
测绘技术中的波束形成原理解析
测绘技术中的波束形成原理解析波束形成（Beamforming）是一种广泛应用于测绘技术中的关键原理，它具有重要的地理信息获取功能。
本文将分析波束形成的原理及其在测绘技术中的应用，并讨论其相关技术的发展和潜在的应用前景。
一、波束形成原理简介波束形成是一种通过改变天线阵列中天线的相位和振幅来控制信号主瓣（main lobe）方向的技术。
简单来说，波束形成可以使天线的感知范围聚焦在一个特定的区域，从而提高信号的准确性和分辨率。
波束形成技术的基础是多个天线的组合，这些天线通过相位控制和加权信号进行波束的形成。
相位控制决定了天线阵列中每个天线的发射和接收间的时间差，而加权信号则决定了每个天线对信号的贡献程度。
通过合理的相位控制和加权信号的配比，波束形成可以实现从多个方向接收和发射信号。
二、波束形成在测绘技术中的应用1. 雷达测绘波束形成在雷达测绘中具有广泛应用，特别是合成孔径雷达（SAR）技术。
通过合理的波束形成，SAR可以实现很高的分辨率，从而提供精确的地理信息。
此外，波束形成还可以抑制杂波和干扰信号，提高雷达信号的质量。
2. 海底测绘在海底测绘中，波束形成被用于侧扫声呐和多波束测深仪等设备。
这些设备通过控制声波的发射和接收角度，实现对海底地形的高精度测绘。
波束形成可以减少多次测量和数据处理的复杂性，提高测绘的效率和准确性。
3. 卫星遥感卫星遥感技术在大规模地理信息获取中具有重要作用。
通过波束形成技术，遥感卫星可以将接收到的微弱信号进行聚焦，从而提高信号的强度和分辨率。
波束形成还可以根据需要对特定区域进行高精度的遥感测量，为地理信息的提取和分析提供支持。
三、波束形成技术的发展及应用前景随着科学技术的进步和测绘需求的不断增长，波束形成技术得到了不断改进和拓展。
在传统的波束形成技术基础上，出现了多个改进和扩展版本，如自适应波束形成、非线性波束形成等。
这些新技术不仅进一步提高了测绘的精度和效率，还扩大了波束形成的应用领域。
超声成像原理PPT课件
超声波在人体中传播时产生的现象
1、反射：大界面对入射超声产生反射现 象。
2、全反射：全反射发生时不能使声束进 入第二介质，而出现“折射声影”。
3、折射：由于人体各种组织、脏器中的 声束不同，声束在经过这些组织间的大 界面时，产生声束前进方向的改变，称 为折射。
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4、散射：小界面对入射超声产生散射现 象。散射无方向性。
（1）A型：基本已淘汰。 （2）B型：为辉度调制型。也称二维超声。
一个平面由X轴和Y轴形成的坐标表 示，Y轴代表时间，X轴代表范围。将单 条声束传播途径中遇到各个界面所产生 的一系列散射和反射回声的强度，在示 波屏时间轴上以光点的辉度表达。声束
精选
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顺序扫切脏器时，每一单条声束线上的光点群 按次分布在X轴上，形成一切面声像图。
1、波长：λ 2、频率：f 3、声速：c。声波在人体中平均速度为
1540m/s 三者关系：c=λ*f
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（三）人体组织的声学参数
1、密度： 2、声速： 3、声阻抗(Z)：介质的密度（ ρ ）与介质
中声速（ c ）的乘积。 即：Z＝ρ×c (Kg/m2·s）
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声阻抗是超声诊断中最基本的物理量， 声像图中各种回声图像都主要由于声阻 抗差别造成。
5、衍射：又称绕射。超声波通过一到两 个波长的物体，其传播方向将偏离原来 的方向。
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6、衰减：吸收、散射、声束扩散 7、多普勒效应（Doppler效应）： 8、非线性传播：
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（六）超声图像形成
超声传播系通过介质中粒子的机械振动 进行的，它不同于电磁波，故在真空中 不能传播。
Doppler于1842年首先提出，用于阐明振 动源与接收器之间存在相对运动时，所 接受的振动频率因为运动而发生改变的 物理现象。
医学超声成像原理
分子生物学和基因诊断超声成像技术能够为新 药研发和个性化治疗提供重要的技术支持。
THANKS
血管性疾病超声图像
血管性疾病在超声图像上可显示出血管的形态、结构 以及血流情况。正常的血管结构在超声图像上应呈现 出规则的形态和均匀的回声。当血管发生病变时，如 动脉硬化、血栓形成等，超声图像上可观察到血管壁 增厚、管腔狭窄或扩张、血流速度异常等改变。这些 特征性的改变有助于对血管性疾病进行诊断和评估病 情的严重程度。
声学窗口
将超声波发送到人体，并将人体 内的回波信号接收回来。
聚焦和扫描
通过改变压电晶片的振幅和相位， 实现超声波的聚焦和扫描。
超声换能器
将电信号转换为机械振动，产生超声波。
将人体内的回波信号接收回来，并将其转换为电信号。
超声扫描器
控制超声探头在人体内进行扫描。 将回波信号进行处理，生成图像。
图像显示设备
肾脏超声图像
肾脏在超声图像中呈现出肾实质和肾盂两部分。肾实质呈现出低回声，而肾盂则呈现出高 回声。正常的肾脏形态和结构在超声图像中应无明显异常，如出现异常则提示可能存在肾 脏疾病。
心脏超声图像
心脏超声图像可显示心脏的形态、结构以及功能。正常的心脏结构在超声图像中应呈现出 规则的形态和正常的室壁厚度。心脏各瓣膜的启闭功能正常，血流动力学无异常。
02
三维和四维超声成像技术能够提供立体图像，有利于医生对病变进行全面的观 察和分析。
03
三维和四维超声成像技术能够提供多角度、多切面的图像，有利于医生对病变 进行深入的观察和分析。
分子生物学和基因诊断超声成像技术
分子生物学和基因诊断超声成像技术能够通过 分子水平上的检测和分析，对疾病进行更准确 的诊断和治疗。
超声成像波束形成的基本理论汇总
超声成像波束形成的基本理论声场在成像场域的分布称为波束形成(beam forming)。
波束形成在整个超声中处于心位置，对成像质量起着决定性的作用，如图2.1。
本章以传统的延时叠加波束形成方法为中心来阐述波束形成的基本原理及其对波束形成的影响，并介绍了波束控制方法(聚焦偏转、幅度变迹、动态孔径)及成像质量的评价标准。
.1 延时叠加波束形成算法延时叠加波束形成是超声成像中最传统、最简单也是应用最广泛的成像方法，它包括发射聚焦和接收聚焦两种方式。
由于成像过程实际就是对成像区域逐点聚焦，所以一帧完整的图像需要进行至少上万次的聚焦才能完成。
如果采用发射聚焦方式来实现超声成像，则完成一帧超声图像需要非常长的时间(至少需要几分钟)，不符合实时成像的要求。
因此，平常所说的延时叠加波束形成一般是指接收聚焦，其形成过程如图2.2 所示。
1.1 声场分布的计算图像分辨率通常是评价图像质量的重要标准之一，而在超声成像系统中的图像横向分辨率是由超声波束的声场分布决定的[25]。
超声辐射声场的空间分布与换能器的辐射频率、辐射孔径及辐射面结构有关，称为换能器的空间响应特性为了表征换能器空间响应特性，常引入一指向性函数。
指向性函数是描述发射器辐射声场或接收器灵敏度的空间函数。
由于探头类型不尽相同，包括连续曲线阵、连续曲面阵、连续体性阵和离散阵四大类，因此指向性函数的类型也有所不同。
本节以常用的凸阵探头(离散阵)为例介绍超声空间发射声场的计算如图2.3 所示，设阵元数为N，阵元的半径为R，相邻两阵元间的距离为d，由于d << R，可近似得到相邻两个阵元之间的夹角为Q=d/R。
那么探头上任一阵元i 与中心线的夹角考虑到换能器的空间响应特性满足互易原理，它的接收空间响应特性与其发射空间响应特性是一致的。
因此，关于接收声场的计算，基本上和发射声场的计算方法相同，只是接收焦点的深度总是和计算深度z 相同。
1.2 波束仿真凸阵探头参数，参考图2.3。
医学超声成像的基本原理
医学超声成像的基本原理1.超声波的产生和传播超声波是一种高频机械振动的波动，其频率大于20kHz，超过了人耳的听觉范围。
超声波可以通过一些物质的压电效应产生，即通过将电能转化为机械能。
超声波在组织中传播时，遵循声波传播规律，会发生散射、吸收、衍射、反射等现象。
2.超声波在组织中的反射当超声波遇到体内组织的不同界面时，会发生反射现象。
组织中的声阻抗不同，导致超声波的一部分被反射回来。
超声波的反射信号被传感器接收后，经过处理，可以生成人体内部组织的图像。
3.超声成像系统的构成医学超声成像系统主要由发射器、接收器、传感器和图像显示器组成。
发射器负责产生超声波信号，接收器负责接收反射信号。
传感器通常是一种压电晶体，可以将机械振动转化为电信号。
接收器将接收到的反射信号转化为数字信号，并通过算法处理后生成图像。
图像显示器负责显示最终的图像结果。
4.超声图像的生成超声图像的生成基于回波时间法。
传感器发射的超声波束从探头焦点出发，透过人体组织，遇到不同的界面后被反射回来。
传感器接收到的反射信号的时间和幅度信息被记录下来，形成一幅图像。
图像的亮度或灰度反映了声波的强度或信号的幅度。
5.超声图像的特点和应用超声图像具有以下几个特点：首先，超声波在不同组织之间有较好的穿透性，可以通过体表得到人体内部器官的图像。
其次，超声波对生物体无辐射，不会对人体产生不良影响。
再次，超声波成像可以实时进行，方便医生进行实时观察和操作。
医学超声成像广泛应用于临床医学领域，例如：妇产科、心脏病学、腹部病学、乳腺病学等。
在妇科领域，超声成像可以用于妊娠检查、卵巢囊肿检查等；在心脏病学中，超声心动图可以用于检测心脏的大小、形态和功能等；在腹部病学中，超声成像可以用于检查肝脏、胰腺、胆囊等腹腔内脏器官。
总之，医学超声成像在临床医学中起到了极为重要的作用。
超声成像基本原理 ppt课件
M超声技术
M型是B型诊断仪的一种变异型，通常 用单晶片即可完成。
采用亮度调制(光点)工作原理类似B型。 M型仪在水平偏转板上加入一对慢扫描锯 齿波，使回声光点沿水平方向扫描、代 表时间、各层结构展开形成曲线，即称 超声心动图。
3. 衰减系数(单位: dB/（cm•MHz)) 衰减服从指数规律
ζ（x）= ζ0e-αx
式中：ζ（x）为在声束传播方向离x处质点振 动的振幅，ζ0为起始点处质点振动的振幅，α为 衰减系数，单位为dB/（cm•MHz), e = 2.718…。
Ζ[zi:t*]
(1) 人体软组织和体液声衰减是不同的（见教材 P5）; （2）蛋白质是人体组织声衰减的主要原因，约占 80％，不含蛋白质成分的水几乎无衰减（透声）;
是一种机械压力波。
（一） 基本概念
1. 何为超声?
2. 超声波的共性: 弹性介质中传播、在液体、气体和 人体组织中以纵波方式传播，具有反射、折射、衍 射和散射特性等。 3.诊断最常用的频率是2－10MHz
机械波按频率划分为：
次声 可闻声
超声
高频超声
＜20Hz 20—20KHz ＞20KHz ＞100MHz以上
cosθ：超声束与血流方向夹角的余弦
3. 利用多普勒频移公式（方程）计算散射体（血 细胞）的运动速度：
v = ± fd c /2f0cosθ 对比：fd ＝± 2f0vcosθ/c 可得上式。
注意：c为1540 m/s；仪器内设有θ角度校正计算 软件，但作者必须给出正确的θ角度；如果 θ角＝90°，cosθ＝0，就不可能测出血流速度。 操作中要尽可能使θ角小于60° θ角愈小，侧 值误差愈小。
(完整版)超声成像原理
2020/2/16
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腔内超声检查
四、超声检查新技术
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四、超声检查新技术
定义：将含有微小气泡的对比剂经血管注入人体内， 使相应的心腔大血管和靶器官显影。
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四、超声检查新技术
将立体图象以投影图或 透视图表现在平面上的显示 方式，可从各个角度来观察 该立体目标。
1. 外形 2. 边界和边缘回声 3. 内部结构 4. 后壁及后方回声 5. 周围回声强度 6. 毗邻关系 7. 脏器活动情况及脏器结构的连续性 8.血流的定性及定量分析
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USG 分 析 注 意 点
1.伪像的识别和利用 2. 注意临床思维 3. 注意动态观察
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第四节 超声检查技术
一、常用技术
二维 2020/2/16 彩色多普勒显像
脉冲多普勒
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二、常用切面
(1)纵向扫查。 (2)横向扫查。 (3)斜向扫查。 (4)冠状面扫查。
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即扫查面 与人体的长轴 平行。
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二、常用切面
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即扫查面 与人体的长轴 相垂直。
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三、后方回声增强
当病灶声衰减很小
时，其后方回声将 强于同等深度的周 围回声，称为后方 回声增强，囊肿和 其他液性结构的后 方会出现回声增强， 可利用它作鉴别诊 断。
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四、侧壁声影和回声失落
声束通过囊肿边缘或 肾上、下极侧边时， 可以由于折射产生边 缘声影或由于全反射 出现侧壁回声失落。
波束形成原理
波束形成原理波束形成原理是指通过某些技术手段将电磁波或声波聚焦成一个狭窄的束流，以便更精确地照射或传输能量。
波束形成原理在通信、雷达、医学影像等领域有着广泛的应用，其原理和技术在不同领域有着不同的实现方式和应用场景。
首先，我们来看一下波束形成的基本原理。
波束形成的关键在于相位控制，通过控制每个发射元件的相位，可以使它们在特定方向上形成叠加，从而形成一个聚焦的波束。
这种相位控制可以通过调节发射元件的延迟或者改变其相位来实现。
在电磁波领域，常用的相位控制方法包括相控阵天线和反射阵天线，通过调节每个天线的相位来实现波束形成；在声波领域，常用的相位控制方法包括阵列声源和超声波探测器，通过调节每个声源的相位来实现波束形成。
其次，我们来看一下波束形成的应用。
在通信领域，波束形成可以用于提高通信系统的传输效率和抗干扰能力。
通过将信号聚焦成一个狭窄的波束，可以减少信号的传输功率和提高信号的传输距离，从而提高通信系统的性能。
在雷达领域，波束形成可以用于提高雷达系统的目标探测和跟踪能力。
通过将雷达波聚焦成一个狭窄的波束，可以提高雷达系统的分辨率和抗干扰能力，从而提高雷达系统的性能。
在医学影像领域，波束形成可以用于提高超声成像系统的成像质量和分辨率。
通过将超声波聚焦成一个狭窄的波束，可以提高超声成像系统的成像深度和分辨率，从而提高成像系统的性能。
最后，我们来看一下波束形成的发展趋势。
随着通信、雷达、医学影像等领域的不断发展，对波束形成技术的需求也在不断增加。
未来，波束形成技术将更加注重多功能性和集成化，通过融合多种波束形成技术和优化算法，实现更加灵活和高效的波束形成。
同时，波束形成技术也将更加注重智能化和自适应性，通过引入人工智能和机器学习技术，实现对波束形成过程的自动优化和调整，提高波束形成的性能和稳定性。
综上所述，波束形成原理是通过相位控制将电磁波或声波聚焦成一个狭窄的束流，以便更精确地照射或传输能量的技术手段。
超声成像原理解析
声压：压强瞬时值与无声传播时压强值之差，单位为帕斯卡 （N/m2）。 声强：声波在单位时间内通过单位横截面积的周期平均能 量。 声阻抗：声压与声振动速度之比。声压与振动速度同相时， Z=pc。单位是瑞利。 在声学介质中，只要声阻抗相同，则可以认为它们是声学的 同种均匀介质，不存在界面。
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10.2 超声波的物理属性
连续波与脉冲波
按照发射方式，超声波可以分为连续波与脉冲波。 在超声诊断中使用的连续波，一般为正弦等幅波， 超声频率与振幅都稳定不变。 在超声诊断中使用的脉冲波，一般为阻尼衰减振 荡波。
脉冲波的特征量 ：间歇期＋脉冲宽度＝重复周期
脉冲宽度：脉冲持续时间，通常在1.5～5微秒之间。
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10.3 超声换能器
压电效应
某些各向异性的材料，在外部拉力或压力作用下引起 材料内部正负电荷重心移动，在相应表面产生符号相反 的表面电荷。即在机械力的作用下产生了电场，或者在 电场作用下，材料产生几何形变。这种机械能与电能的 相互转换称为压电效应。 材料的居里点表示使其失去压电效应的临界温度值。
在医学超声工程中，一般采用电场式中的压电效应。
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10.3 超声换能器
工作原理
超声换能器（超声探头）由压电晶片组成，晶片受电 信号激发发射超声，进入人体组织，遇不同声阻界面产 生反射与散射；晶片接收回声信号，转换成电信号，送 入仪器。晶片将电能转换成声能（发射），又能将声能 转换成电能（接收），所以称为声电换能器。 超声探头可以是圆片形，也可以是半圆片形，其厚度 一般选择所用超声波长的一半。产生超声波需要两个 必要条件：高频声源和传播介质。
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10.1 引言
人体组织的声阻与衰减系数 介质 空气 水 密度 (g/cm3) 0.001293 0.9934 超声纵波 速度(m/s) 332 1523 特征阻抗 (105R*) 0.000429 1.513 测试频率 (MHz) 2.9 2.9
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１.２ 波束仿真
凸阵探头参数,参考图2.３。超声波的中心频率f=3MHz，探头曲率半径R＝6０mm,阵元间距ｄ=0．48 mm，声速c=１540 m／s,阵元数Ｎ=３２,探测范围为２０~200 mm,焦点在１20mm处。图２.4为凸阵探头的声场分布示意图。
①定点聚焦
这种方式主要应用于最初的超声成像系统中，采用单元式换能器来实现，而不是通过电子聚焦和延时,其延时是固定的，所以只能实现固定的发射和接收聚焦。定点聚焦的实现过程，如图2．6所示。
② 多区域聚焦
由于多阵元换能器的引入,使得多区域聚焦成为可能。在早期的分段聚焦系统中，发射和接收声束分别在近距离、中距离和远距离聚焦,进行了几次成像［２8],其实现过程如图2.7所示。分段聚焦需要通过开关延迟线形成多个接收焦点,而开关会引入噪声,实时性很差。
图像分辨率通常是评价图像质量的重要标准之一，而在超声成像系统中的图像横向分辨率是由超声波束的声场分布决定的[２5]。超声辐射声场的空间分布与换能器的辐射频率、辐射孔径及辐射面结构有关,称为换能器的空间响应特性为了表征换能器空间响应特性,常引入一指向性函数。指向性函数是描述发射器辐射声场或接收器灵敏度的空间函数。由于探头类型不尽相同,包括连续曲线阵、连续曲面阵、连续体性阵和离散阵四大类,因此指向性函数的类型也有所不同。本节以常用的凸阵探头(离散阵）为例介绍超声空间发射声场的计算 如图2.3所示,设阵元数为N,阵元的半径为Ｒ,相邻两阵元间的距离为d，由于d << R，可近似得到相邻两个阵元之间的夹角为Q=d／Ｒ。那么探头上任一阵元ｉ与中心线的夹角
③ 动态聚焦
临床应用中,为了提高图像的分辨率，要求在整个探测深度上超声波束都有良好的聚焦效果。因此,实际中多采用动态聚焦。动态聚焦是指接收焦点随深度变化,聚焦延时也随着深度变化。理想的动态聚焦效果是能达到保持每条扫描线上的所有点都在焦点上,这就要求控制系统能以回波相同的速度沿扫描线追踪目标,以形成一个滑动的焦点。随着集成电路的发展,数字动态聚焦成为可能。数字动态聚焦的前端工作模式是:采样→延迟→求和→检测→至数字部分，即将接收电路接收到的信号经过放大后立即由A/D转换器变成数字信号，再经延时后进行数字信号叠加［29]。数字延时器的延时量是由软件控制,可将延时量分的很细,能实现全线程的动态跟踪聚焦。理论上动态聚焦可以应用在发射和接收两个阶段,大幅度提高成像质量。而实际中，只有采用合成孔径成像时,才能实现发射和接收的动态聚焦;对于传统的延时叠加波束来说,考虑到声束的传播,采用发射的动态聚焦就意味着漫长的数据采集时间，这是不现实的,所以一般只在接收时采用动态聚焦,如图2.８所示。分段动态聚焦是动态聚焦一种改进方式。因为在传统延时叠加波束生成时,很难在发射时采用动态聚焦，而如果用定点聚焦,则成像质量很差。为了弥补这一缺陷,一般采用分段动态聚焦,即将成像空间划分为多个区域,在发射模式下，对每个区域中的一点进行聚焦，在接收模式下，采用动态聚焦，如图2．9所示。分段动态聚焦相对动态聚焦，成像的分辨率和对比度有所提高,但是帧率有所下降。假设接收动态聚焦的帧率为N,分段数量为K,则分段动态聚焦的帧率降为Ｎ/K。在医学超声成像中，发射分段的分段数一般不会超过4。 由于引入主瓣宽度的概念,接下来将要分析研究不同聚焦方式的成像分辨率。图2.10给出了定点聚焦、多区域聚焦、动态聚焦3种聚焦方式的接收模式主瓣宽度的示意图。图2.10（a)为定点聚焦,接收焦点定在120mm处,所以只有在远场处才能获得较好的图像分辨率。图2.10(b)为多区域焦点,在20~80 mm的深度内，接收焦点取6０ｍm，在80~140mm的深度内,接收焦点取120 mm,在１40~200mｍ,接收焦点取180mm。多区域聚焦相对于定点聚焦,成像分辨率稍有改善。图２.10(ｃ)为动态聚焦,焦点在探测深度２0～2００ｍm内以１mm为步距变化。三图对比可知,只有动态聚焦在整个探测深度有很好的图像分辨率。但考虑到三种聚焦方式的实现过程,可以发现:定点聚焦在发射模式和接收模式下都只需要一组延时参数,多区域聚焦在发射模式和接收模式下需要几组延时参数;而动态聚焦虽然在发射模式下只需一组延时参数，但在接收模式下需要多组延时参数。因此,完成延时参数的存储是实现动态聚焦的难点。 2.2 幅度变迹
1 延时叠加波束形成算法
延时叠加波束形成是超声成像中最传统、最简单也是应用最广泛的成像方法,它包括发射聚焦和接收聚焦两种方式。由于成像过程实际就是对成像区域逐点聚焦,所以一帧完整的图像需要进行至少上万次的聚焦才能完成。如果采用发射聚焦方式来实现超声成像，则完成一帧超声图像需要非常长的时间(至少需要几分钟),不符合实时成像的要求。因此，平常所说的延时叠加波束形成一般是指接收聚焦,其形成过程如图2．2所示。 1.1 声场分布的计算
图2.4中,横轴ｚ表示深度,纵轴x表示横向距离,白色区域越亮表示在域内声场越强；而黑色区域越暗表示声场越弱。由图可知，在焦点周围，声场最强,离焦点越远,声场扩散越快。描述声场分布有两个主要指标,即主瓣(波束)宽度和旁瓣幅度。主瓣宽度是指两侧的声场幅值相对声束轴线方向上的极大值下降3dB（半功率点)的宽度,该宽度值越窄,成像侧向分辨率越高；旁瓣幅度是指声场分布图中最大旁瓣的归一化幅值,该幅值越小，伪像越少,对比度越高。取图2.4中深度z=１２0mｍ处的截面图,反映声场分布的两个指标，如图2.5所示。由图可知,主瓣宽度约为3mｍ,旁瓣幅度约为13ｄB。
超声成像波束形成的基本理论
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超声成像波束形成的基本理论
声场在成像场域的分布称为波束形成(beaｍｆoｒmiｎｇ)。波束形成在整个超声中处于心位置，对成像质量起着决定性的作用，如图2．1。 本章以传统的延时叠加波束形成方法为中心来阐述波束形成的基本原理及其对波束形成的影响,并介绍了波束控制方法（聚焦偏转、幅度变迹、动态孔径）及成像质量的评价标准。.
２ 波束控制方法
由2.1节波束仿真介绍,可以了解到波束主瓣宽度和旁瓣幅度对成像质量的影响。控制波束的有效方法有聚焦偏焦与偏转
聚焦(focusing)，是指将换能器子阵中各阵元的接收回波经适当延迟后相加起来,使焦点处发射或散射的信号形成同相位相加,获得最强的合成信号,而不在焦点处的信号因不是同相位相加,合成信号大大削弱,甚至互相抵消[26]。偏转（steering)，也称方向控制,即控制波束扫描的方向,可以沿着垂直于换能器子阵中心的方向(中心轴)，如线阵扫描，也可以偏离中心轴的方向,如凸阵和相控阵扫描［27]。偏转常与聚焦结合起来使用,使得既可以对中心轴上的目标点进行聚焦,也可以对非轴上的目标点进行聚焦，从而保证整幅图像的清晰度。医学超声成像中的各种聚焦方法也代表波束形成的不断进步。