空中混响图像的建模和数值模拟故障检测在医学超声换能器:可行性研究

文摘

一个简化的二维有限元模型,模拟了空中混响医学超声换能器产生的图像。模型模拟一个线性阵列组成的128 PZT-5A晶体,tungsten-epoxy支持层、环氧树脂匹配层和有机玻璃透镜层。晶体层的厚度选择模拟脉冲集中在4 MHz。模型是用来调查是否单个换能器的机电性能的变化层(支持层、晶体层、匹配层和透镜层)影响模拟空中混响图像生成。机电设计属性的变化来模拟典型的医疗传感器故障,如水晶退学,镜头分层,恶化压电效率。模拟表明,断层相关传感器的变化行为可观测到的模拟空中混响图像模式。这种探索性的方法可能有助于提供洞察换能器性能恶化和帮助早期发现的缺点。

1。介绍

诊断医学超声换能器的性能可以在他们工作的一生中恶化。这种成像性能的改变归因于诸多因素,其中包括传感器层间分层,破损的电缆或组件,短路,弱或死晶体(1,2]。有质量保证的方法用于经常检查传感器图像质量。这些方法包括基于幻影的测量和电的方法。

幻影成像性能的基础方法直接评估传感器通过调查方面的图像质量。例如囊肿检测能力、轴向、横向或平面分辨率,对比敏感度,成像深度(通过低对比度穿透深度),和解析积分3)都可以被测量。尽管幻基础测量有潜力提供性能指标接近临床的情况他们遭受的缺点和一些研究的有效性提出了质疑4]。伪基于测量的缺点包括组织等效幻影无法准确匹配的声学属性(声速、频率依赖性衰减和非线性参数)的人体组织。这已成为宽带换能器的出现更多的问题,因此现在的声学性质幻影最好模仿人体组织的宽频率范围。明胶为基础组织的声学属性等价的幻影会随时间变化,这可能引入一个额外的解释基于幻影的质量保证测量的不确定性。此外组织基于等效幻影的测量通常是使用手动扫描技术和执行往往主观视觉评价图像质量。

电气测量包括索诺拉FirstCall探针测试仪。用这种方法操作传感器在水环境中,以传播从换能器发送脉冲反射回传感器,通过一个金属板,检测。专有传输/接收电子允许单个晶体的灵敏度被测量,同时测量脉冲宽度、脉冲频率的内容,和电缆电容。索诺拉探针测试系统不过是昂贵的,依赖于不同传感器接收模块模型的可用性。幻影和电气方法耗时,并且需要大量的资源来执行例行,说,每周。

传统的国家指导方针5)表明,应该定期执行质量保证测试,不同级别的测试在不同的重复周期。例如目视检查损坏建议每周而详细的图像质量测量通常建议一年两次。这意味着改变传感器的性能可能会忽略了相当长的时间,这是一个主要的缺点这样的测试方法(2]。然而更频繁的定期测试(每周或每月)的图像质量使用幻影或电气方法是费时,将需要大量的资本和收入的资源,并将影响病人等候名单。

另一种方法(6)已建议评估传感器的成像性能。这种方法依赖于评估空中混响模式由一个传感器。方法是一个老的变化方法使用一块有机玻璃(7),但更容易实现。两种方法被用来评估相对灵敏度的变化(检测能力弱回声从背景噪音)的传感器。一个空中混响模式产生当一个清洁干燥换能器在空气中运行。声脉冲从换能器的压电材料和通过匹配层,镜头层和传感器的防护层。大型传感器之间的阻抗失配和空气确保没有声音的传输光束到空气中。脉冲部分反射回来的每一层,发现回声在压电晶体。典型的脉冲可以通过层进行往返次数之前其振幅下降是由于衰减和色散。回声处理并显示在扫描器监控以同样的方式回应从临床扫描显示。

空中混响模式应该是依靠生产因素,广泛反映了传输和反射传感器材料的属性。质量保证指南建议测量距离最后可见混响平面(8),使用这个作为换能器的灵敏度指标。最近工作(9)分析表明,完整的混响图像可以提供更准确的信息在传感器的性能对其整个成像平面。有但是很少了解传感器的缺陷和空中混响的变化之间的关系模式。更好地理解空中混响模式可能会导致传感器故障的早期检测和他们的事业。为了更好地理解生成的空中混响模式,已研制出的一种线性阵列换能器模型和数值模拟空中混响形象进行了研究。

各种方法可用于超声换能器造型。之前的研究在这个领域包括:机械和等效电路模型(例如,梅森模型(10,11],红木模型[12),荷航模型(11,13),和香料/ PSpice模型(14,15]),传递矩阵法(16)、分布式点源法(17),有限的集成技术(18),高斯光束叠加(19],有限元分析[20.- - - - - -24[],声辐射方法25,26上面的),以及各种混合方法技术(27- - - - - -29日]。比较研究的分析、semianalytical和数值技术(30.]。各方面相关的医疗传感器耦合振荡器和有限元模型讨论了(26]。这两种方法是使用最广泛的医学超声换能器造型的方法。

本文旨在通过换能器脉冲传播模型用有限元(FE)分析层。预计变化(或缺陷)在这些层会影响传感器的发射和接受属性,因此临床图像对图像质量的影响。这种探索性工作的目标是如何变化的传输和反射特性的各种传感器层可以影响整个混响模式图像。

论文的结构如下。部分2和3简要描述一个典型的医学超声换能器和空中混响测试用于图像质量评估,分别。医疗传感器的有限元模型给出了部分4。传感器的数值实现模型和简单的传感器部分中描述的缺陷5。数值结果叛逃单晶和多晶体传感器介绍部分6。重点是定性分析的模拟空中混响模式。最后,本文的结论部分7。

2。医学超声换能器

现代医学超声换能器是基于数组设计有多个小压电晶体(陶瓷)如图1。晶体在这些数组的数据往往是六十四的倍数。通常有三个附加到每个陶瓷材料层。这些是一个匹配层,支持层,和一个镜头层。但是结构(支持、陶瓷、匹配和透镜)本文称为“手指”,如图1 (b)。128因此陶瓷换能器由128的手指。压电陶瓷层用于生成和超声波。一个交变电流应用于电极使压电陶瓷产生机械振动波传播通过传感器的各层。反映机械波回到压电层和产生一个电流,经过一系列处理步骤,用于生成一个超声图像。压电陶瓷或piezocomposites是常见的材料用作压电晶体。

匹配层需要改善压电晶体和人体皮肤阻抗不匹配。在实践中匹配层由一个薄层。这些层的阻抗逐渐从压电晶体的阻抗变化人类皮肤的阻抗。支持层用于陶瓷的减弱振动方向相反的超声波传输,防止不必要的声学匹配层和基材之间的影响。这一层通常是由一个沉重的,金属材料。通常一个支持高选择超声波衰减潮湿的超声波。经常支持层也有类似的声阻抗的陶瓷层,以避免可能的反映。经常使用一个声透镜聚焦超声束在一个平面垂直于成像平面。镜头层通常由一个材料的声阻抗匹配层和人类之间的皮肤。晶体之间的差距(0.1毫米)叫做切口,切口往往充满了阻尼材料有较低的声阻抗块和吸收振动相邻元素之间的传播,或者他们可能是空气填满。 The height of all four layers can typically be approximately 12 mm. The thickness of the ceramic layer is defined by the required frequency of the transducer. Since a thin piezoceramic wafer vibrates with a wavelength that is twice its thickness。因此压电晶体是由周围的厚度要求的波长,但当压电晶体之间插入匹配层和支持,这个频率降低,因此,必须适应厚度。

3所示。空中混响测试

众所周知,当超声波传感器广泛用于长时间的图像质量恶化[1- - - - - -3]。空中混响测试方法评估医学超声传感器灵敏度的变化。一个传感器干燥和清洁表面在空气中。重要的是要确保传感器的表面是干燥和清洁,因为测试依赖于传感器之间存在一个很大的阻抗失配表层和空气。此外测量之间的阻抗失配不应该变化,除非它是由于内在换能器性能的变化。陶瓷层中产生超声波穿过的其余层传感器,达到空气边界。当传感器接触另一个对象,镜头层之间的声阻抗的差异(这通常是表层),空气明显大了。因此,超声波反映,通过传感器的所有层返回。

很明显,通过所有这些层的波叠加另外反映层之间的界限,如图2(一个)。海浪反弹向前和向后产生电压信号,在陶瓷层,类似特征信号如图2 (b)。扫描过程的电压信号到达的压电陶瓷换能器阵列并生成一个图像是空中混响模式。图3给的例子混响模式从一个新的传感器(左边)和相同的传感器经过20个月的操作(右手边)。在混响模式存在明显的差异。右边的图像显示,混响的深度模式的两端传感器已经减少了;这意味着这些地区的传感器灵敏度已经减少。还有黑轴带跑的长度传感器的中部地区可能是由于局部变化的机电性能的压电、匹配,或透镜层。这些混响模式的变化可能表明传感器性能受损进而可能影响诊断的准确性。

4所示。波传播的超声波传感器:理论背景

超声波是一种弹性形变传播通过材料。当一个立方体的固体是由外力兴奋这种变形可以量化的使用压力。压力之间的关系和压力可以使用的普遍形式表达胡克定律 在哪里是合规,刚度的倒数。固体的运动可以用牛顿定律来描述 在哪里是机械位移和是密度。然后,结合胡克和牛顿定律将导致经典波动方程可以给出以下形式: 的常数来自质量密度和弹性和代表波速。纵向和剪切波可以传播一个坚实的立方体。纵、横波速度是相等的 分别在哪里杨氏模量和吗泊松比。

超声波,传播不同层的传感器,是由压电陶瓷。这些晶体将电能转换成机械能,反之亦然。直接的压电效应是材料产生电荷的能力成比例的作用力。逆压电效应是材料变形的能力在一个应用电场。顶部和底部之间的电势加载表面的压电陶瓷晶体变形的结果。压电效应都是用于医学超声换能器产生和超声波。

电可以被描述为行为的材料 在哪里电位移,介电常数,电场强度。这个方程可以结合胡克定律和重新安排 的上标表明转置和标和分别代表恒定应力和电场。因此是恒定的机械应力和介电常数是一个恒定的电场合规。这两个著名的耦合本构方程控制能量转移;也就是说,(6)和(7分别)代表了直接和逆压电效应。在这一点是很重要的,上面的应变和应力的二阶张量方程可以重新排列向量与6组件由于其对称性。这就是为什么合规通常排名四张量似乎是一个6×6矩阵。这个符号,经常进行有限元分析时,称为沃伊特符号。重要的是要注意,6)和(7)包含大量的变量。然而,在实践中这些变量的数量显著降低由于对称性问题的调查。

方程(7)可以简化因为有两个主要的影响在该地区的利益驱动的压电晶体。对于压电截线的情况,在机械应力是可行的,正交电场,可以获得如下: 然而,纵向压电效应的机械应力平行于电场,(7)可以写成 电平衡方程需要另外解决问题;也就是说, 很明显,应变和电动矩阵可以表示的机械位移和电压作为 整个问题需要辅以相应的边界条件。使用规定的电压在当前分析激励压电元素。

4.1。反射和衰减

当超声波换能器的波传播是通过各种传播边界,如图2。剩下的部分是反映和消散。反射和耗散取决于材料特性。反射可以使用反射系数定义为被描述 在哪里是材料的声阻抗。可以计算的阻抗 越来越差和的反射系数上升,这将导致一个更强的反射。当和有相同的价值,反射系数为零,没有反射。

一旦波穿过各层材料的能量部分失去了由于传播,散射和吸收。吸收的动能转换成其他形式的能量。散射是指声音的反射方向以外的原始波传播的方向。两个影响一起占超声波的衰减。波振幅的变化可以捕获啤酒朗伯定律使超声波的强度在波穿过一层材料厚度作为 在哪里波的振幅在哪里,衰减系数,振幅在点吗。

5。有限元模型的叛逃医学超声换能器

基于ANSYS有限元分析(31日),是用来模拟波传播医学超声换能器。整个推导过程的积分形式的偏微分方程不是这里介绍,有兴趣的读者被称为(26,32]。节中描述的物理问题4可以解决通过近似相关的偏微分方程和离散化的传感器几何。一旦几何离散成小有限元素的解这些元素的节点。所需的解决方案得到了任意位置使用多项式插值函数的线性组合,如[26,32]。整个执行分析在时域使用循序渐进的时间集成方案获得位移和电压。后者是用来计算混响模式。本节描述相关的几何细节,材料参数和激励。

5.1。空间和时间离散化

一个简单的二维模型的医学超声换能器,呈现在图1数值模拟中使用。这项研究涉及两个不同的传感器配置。首先,一个元素传感器被用来研究缺陷严重程度的影响传感器的各种叛逃层。然后128 -手指传感器模拟不同类型的缺陷,通过对比四边形固体元素。陶瓷层的厚度定义了所需的频率换能器的振动波长,薄圆片元素是其厚度的两倍。因此压电陶瓷通常是由厚度约1/2波长的要求。压电陶瓷晶体的尺寸和所有层给出了表1。

所有材料层被离散成0.05×0.05毫米元素。一个手指传感器建模使用1200年对比四边形固体元素和1464个节点。128 -手指传感器由168520对比四边形固体元素和180555个节点。大量元素的选择,以避免非物质的频率和方向相关的色散特性,给出以下建议(33]。同等程度的离散化是维护整个网避免方向性和虚假的内部反射。

正确的元素类型的选择是一个关键的点适当的有限元计算。的PLANE13元素用于模型的压电层传感器。这个元素是由4个节点和3自由度定义每个节点(即。,两个位移和电压)。支持、匹配和镜头层建模使用PLANE42元素定义的4个节点自由度为2(即在每个节点。,两个位移)。时间步总是选择实现Courant-Friedrichs-Lewy (CFL)稳定条件。在二维情况下,州CFL条件 在哪里是报号码,,是速度,,是长度的间隔,是时间步。

时间从瞬态特性分析是综合使用两种不同的范围;也就是说,时间步等于年代用于0 - 5μ年代间隔时间步等于年代申请5 - 10μ年代间隔。范围更小的间隔被用于第一次因为到达的陶瓷覆盖。

5.2。材料特性

一个PZT-5A压电陶瓷材料是用来模拟压电层(34- - - - - -36]。压电陶瓷层的厚度与波的频率和等于波长的一半。表2给出了总结的机电特性选择压电陶瓷晶体。

支持层通常选择从一个材料,满足两个条件。首先减弱声波的能力应该是相对较高的第二声阻抗应该类似于压电陶瓷层的声阻抗,以避免从piezoceramic-backing层波反射边界由于阻抗失配。因此Tungsten-Epoxy材料被用来支持层模型。匹配层建模使用环氧树脂材料。镜头层使用有机玻璃材料的属性建模。机械性能的匹配,支持,和镜头层给出了表3。后所有材料属性被先前的调查报告(37]。

5.3。激

一个周期的正弦波脉冲4 MHz频率和300 V振幅作为输入信号上表面的压电陶瓷晶体;一个常数零电压应用于相反的晶体表面。接收信号聚集时,上部电极接地,降低电极收集到的电压信号。输入电压信号被应用到后续晶体与0.015的时间延迟μ年代在128 -元素模型。拖延是应用从中心到两边的传感器。

5.4。缺陷模型

材料的缺点往往与刚度降低,传感器缺陷模拟使用传感器各层刚度的降低。最大的减少(即。,the smallest value of stiffness) used in the analysis was related to the full breakage of the involved element. Defects in all transducer layers were simulated. Stiffness reduction was maintained through Young’s modulus. Young’s modulus was reduced for the matching, backing, and lens layers. The coefficients of stiffness matrix were reduced for the piezoelectric layer through the stiffness denominator. Defects were simulated at different locations using eight various severity levels, where damage severity case 1 corresponds to full breakage of the relevant layer. Table4给所有缺陷在不同传感器的信息层。参数研究是减少给定的值在表的最后一列4。

6。数值模拟结果

本节介绍了有限元分析的数值结果叛逃的医学超声换能器。首先,提出了调查初步结果波传播反射不同边界。然后混响模式是研究元素的传感器和各种损伤的严重性。最后,选择缺陷模拟128 -手指传感器和相关的混响模式进行了分析。

6.1。初步结果

一个元素的传感器是模仿最初调查波传播。激励信号被应用于换能器,解释部分5。3。响应信号,捕获在压电陶瓷元素的底部,如图4。的第一部分信号(从0到0.25μ是原来的300 V输入脉冲。然后原脉冲穿过传感器向支持和匹配层。传感器的波传播路径图中所示4(一)。信号旅行向下穿过支持层和快速衰减是由于这一层的大阻尼值。信号旅行向上穿过陶瓷层,匹配层,和镜头层,直到它到达传感器的顶部,在完整的反射发生由于较大的值镜头之间的反射系数和空气层。这个信号也减毒但损失的能量小于信号向下旅行。向上的信号通过传感器也反映了各层之间的界限。三种不同的路径,指出作为整数数字,见图4(一)。这些都是倒影水晶和匹配层边界;匹配层和镜头边界;和lens-air边界。实际反射到达底部的压电陶瓷晶体所示波传播的响应信号如图4 (b)。理论分析到达时间值1日,2日,3日信号计算,0.22,1.52,4μ年代。4 (b)分析表明,计算值与模拟移民很好,考虑到模型的简单性和尺寸(38]。

压电陶瓷晶体电压反应转化为空中混响图像模式使用标准图像显示方法用于医学超声换能器(39]。这些模式代表振幅强度的8位图像。图5给出一个示例的电压响应信号和相应的空中混响模式为一个元素的传感器。明亮的地区形象代表脉冲到达回到陶瓷,从传感器层反射后,在不同时期在最初的兴奋。在数字图像中的亮度5振幅成正比的电压产生的压电陶瓷时返回脉冲激发陶瓷。结果得到600混响行6μ年代与600行。混响乐队的深度大约45(对应于0.45μs)从crystal-matching层出现由于部分反射边界。混响乐队的深度约180(对应于1.8μs)出现由于matching-lens的部分反射边界。进一步混响乐队的深度约400(对应于4μs)出现由于全反射lens-air边境。

6.2。一个手指传感器混响模式

元素的超声换能器是进一步分析探讨各种传感器层缺陷的影响。后的缺陷模拟过程中所描述的部分5。4。八损伤情况下,表中给出的缺陷的严重性4被调查。图6显示了数值模拟的结果。电压响应信号对各种损伤严重程度调查给出每个图的左边,而相应的空中混响模式给出了每个图的右边。混响模式给出了八个不同的严重程度调查,在1对应于给定层的破损和8代表最小的损害严重程度调查,表中有说明)4。

结果表明,当支持层受损少衰减可以观察到的电压信号。电压振荡的振幅和数字会增加伤害的严重性在图6(一)。由于振幅强度增加,这是反映在白色区域的空中混响模式。可以观察到明显的变化对于第五破坏情况调查相应的杨氏模量减少(即约98.3%。的初始值减少的价值Pa)。一些额外的强烈的白线的底部也可以观察到空中混响模式之后,也就是说,对于较大的损伤严重程度(即。、损坏情况下1 - 4)。

当匹配层受损明显差异可以观察到当杨氏模量降低约67.9%(即。的初始值Pa的减少价值Pa)。这对应于6日损坏情况图6 (b)。明显不同的电压响应和相应的振幅强度的完全消失在空中混响模式可以观察到在图6 (b)。

受损的水晶层产生显著差异在空中混响模式大约25%(即刚度下降。,the denominator of the stiffness matrix was equal to 4). As a result in-air reverberation patterns for the damage cases 1–4 display an increased number of amplitude intensity bright lines. This change is quite dramatic for the 1–3 damage cases investigated.

当镜头层受损,可以观察到显著差异杨氏模量减少约35%后,也就是说,对于第七破坏情况调查。改变由于损伤空中混响模式如图6 (d)对应于lens-air反射的消失线底部和额外的外观强度线中间的空中混响模式。

总之,损坏晶体其次是损害镜头最恶化影响空中混响模式。前的前预计分析已经完成。损坏的支持层是最困难的一个检测小杨氏模量的减少。结果还表明,lens-air反射的消失线在空中混响模式可以表示匹配或透镜层损伤。然而,后者表现出一些额外的线在空中回响图像。损坏和晶体层表现出额外的支持强度线在空中混响模式。(也就是这种效果更加明显。,appears in the whole image) when the crystal layer is damaged.

6.3。混响模式对多个手指传感器

128 -手指传感器模拟调查是否有可能规模的伤害效果观察到部分6.2一根手指的传感器也可以本地化是否损伤,即识别传感器损坏的手指。空中混响模式128 -手指健康换能器呈现在图7。

空中混响模式128 -手指传感器图7展品振幅强度线由于反射(信号1,2,3)以类似方式element-transducer图5节中解释6.1。另外重要的边界效应,包围在图7,可以清楚地观察到由于空气边界两侧的传感器。这些影响,看到的第一个和最后一个20换能器的手指,尤其明显的左和右顶端的角落空中混响模式。

128 -手指损坏传感器的仿真结果图8作为一个例子。结果显示最严重破坏的情况(见表14为四个不同的传感器层解释)。边界效应,上面介绍的那样,可以清楚地观察到所有的图片。

图8(一个)混响形象显示了超声波换能器破碎的支持层。杨氏模量的六个中指被缩减到10 Pa。当图8(一个)相比之下,图7立即,损害明显。白色振幅强度行可以看到中间区域的图像。这种效应非常相似的图像元素的传感器,如图6(一)。

图8 (b)给出了空中混响的图像传感器与破碎的匹配层59和70的手指。电极在破碎的手指得到一个强烈的信号第一混响模式50(0.5对应的深度μ。还没有收到进一步的信号由于高matching-ceramic边界的反射系数。结果差距模式(即。可以看到,黑暗的区域)。类似的行为一直在观察一个手指传感器在图6 (b)。手指接近附近的破碎的匹配层也略有影响。

混响超声换能器的图像与六个破碎的压电晶体传感器如图8 (c)。受损的手指在中央区域的传感器阵列。可以观察到一个清晰的模式由于损伤图像的中间部分。这种效应类似于受损的效果观察支持层图8(一个)。然而,它是更加明显,可以看到整个图像的深度。这已经观察到当图的元素的传感器进行了分析6 (c)。超声波不能离开的晶体破碎的手指,不旅行向上或者向下的方向。重要的是要注意,在临床图像或一个混响的形象,陶瓷损伤通常产生一个黑暗的地区形象。这个区域出现在受损的手指和外貌是黑暗的,因为水晶是传输少声能量,因此接收声能量。然而,损伤在当前调查模仿使用刚度降低。未来的发展重点是更现实的模型,包括修改压电系数。

图8 (d)显示了传感器和镜头的混响图像层受损的宽度3.4毫米的传感器。在前一部分混响模式显示一个图像,类似于健康的传感器,如图7。然而,几行明亮进一步受损区域的图像可以观察到由于反射传感器的损坏透镜层。高反射系数的边界不再完全反映了波,反射可以看到当模式分析对底部;该地区是黑暗。类似的效应是一个手指传感器观测图6 (d)。

7所示。结论

一个有限元模型被用来模拟空中混响模式由医学超声阵列换能器。此外数值模拟被用来演示的变化模拟空中混响模式机电变化介绍给支持匹配时,水晶,传感器和镜头层。

数值模拟的结果表明,脉冲传播的造型,在层的一个简化的医学超声换能器产生混响模式实验相似的图像。仿真结果的分析表明,晶体损伤层最大的影响模拟空中混响模式。下一个最糟糕的情况是损坏透镜层。损坏的支持层是最困难的一个检测小杨氏模量的减少。模拟结果表明,空中混响模式可以唯一地揭示断层不同层的传感器。这种探索性的方法可能有助于提供一个传感器故障和更好的解释也帮助传感器故障的早期检测。

预计这些令人鼓舞的结果将产生进一步的研究,关联微妙的变化在空中回响图像与实际故障在医学超声换能器。未来的工作应该关注更准确的传感器和故障模型,验证了实验结果从受损,健康医疗传感器。其他未来的工作将会扩展建模成一个完整的3 d几何,这样更现实的错误可以调查。造型脉冲传输和检测也将结合多个周期脉冲声如用于脉搏波和彩色多普勒成像。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

所有作者AGH科技大学要感谢的支持下波兰的基础科学研究项目欢迎不。2010 - 3/2(创新经济,民族凝聚力计划,和欧盟)。

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