Ультразвуковое сканирующее и фокусирующее устройство

(54) УЛ ФОКУСИР (57) Изо СКАНИРУОЦЕЕ И СТВОдназначено для6 нием и фокусиго луча в ульт дицинской диаг ЬТРАЗВУКОВОЕ УЮЩЕЕ УСТРОЙ бретение пр ия сканиров льтразвуковприборах ме управлеровкойзвуковы М Сл СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ПИСАНИЕ ИЗОБ У СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Патент США4058003кл. 6 0 1 И 29/00, 1977,Патент США4241610,кл. С 01 М 29/00, 1980,костики и дефектоскопахЦелью изобретения является повьппение функциональных возможностей, В режиме сканирования путем записи в интерфейсыцифровых кодов блок управления управляет работой селекторов, выбирающиходин из числа И/и, подключенных ккаждому каналу групповой коммутациии управляемой задержки (УЗ) элементов многоэлементной матрицы пьезопреобразователей, и величиной задержки каждого канала групповой коммутации и (УЗ), определяя тем самым группу пьеэопреобразователей, составляющих приемопередающую апертуру, атакже глубину и направление фокуси1250932 20 25 30 ровки ультразвукового луча, Для повышения быстродействия при сканировании в реальном масштабе времениблок управления предварительно программно формирует в загоминающемблоке таблицу кодов, реализующихзакон сканирования и фокусировки.Микропроцессор, тактируемый задающим генератором, работает по программе, хранящейся в блоке постояннойпамяти (ПП). Обращение к содержимому блока ПП осуществляется при помощи блока формирования адреса, Считывание и запись информации из блокаПП, запоминающего блока интерфейсовпроизводится по двунаправленным линиям данных через блок формированияданных. Блок управления ПП дешифрирует часть адресных сигналов линийадреса и формирует сигналы управления записью (считыванием информации)в/из интерфейсов блока ПП и запоминающего блока, В режиме калибровкипри помощи калибратора производитсяизмерение фактических времен задержек в каждом отдельном канале групповой коммутации и УЗ. Блок управления формирует на тактовый генератори калибратор сигнал запуска, по переднему фронту которого тактовыйгенератор выдает короткий импульсзапуска на калибруемый канал групИзобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в ультразвуковых приборах ме дицинской диагностики, дефектоскопах и других контрольно-измерительных устройствах, в которых ультразвуковое сканирование производится немеханическим путем.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.На фиг.1 представлена блок-схема ультразвукового сканирующего и фокусирующего устройства; на фиг. 2 временные диаграммы работы устрой" ства, в режиме сканирования, на фиг. 3 - временные диаграммы режимакалибровки.Ультразвуковое сканирующее и фокусирующее устройство содержит поповой коммутации УЗ, а счетчики импульсов и триггер приводятся в исходное состояние. В режиме калибровкивозникает так называемое "синхрокольцо" с периодом следования импульсов, равным времени задержки калибруемого канала групповой коммутациии УЗ тактового генератора. Импульсы"синхрокольца" поступают на счетныйвход счетчика импульсов, в которомпроизводится подсчет числа периодовЯ синхрокольца, в течение которыхпроизводится измерение. Триггер, установленный передним фронтом сигналазапуска в единичное состояние, открывает схему И, через которую с выхода калибровочного генератора импульсы счета подаются на счетныйвход второго счетчика импульсов.,Блок управления через интерфейс непрерывно опрашивает выход триггера,и когда сигнал на выходе становитсяравным нулю, считывает содержимоевторого счетчика импульсов и снимает сигнал запуска. Затем блок управления вычисляет фактическое времяТ задержки, полученное при калибровке, по А-ле Т .=-(1/К Ц) о, гдеГ - частота калйбровочного генератора = 1 МГц; о - содержимое второго счетчика импульсов,Я- число перио -дов измерения калибратораД =256.3 ил. следовательно соединенные многоэлементную матрицу 1 пьезопреобразователей (например, с числом элементовИ=ВО) и каналы 2 групповой коммутации и управляемой задержки, Общеечисло каналов 2 групповой коммутации равно числу элементов многоэлементной матрицы 1 пьезопреобразователей, одновременно коммутируемых вгруппы п пьезопреобразователей, образующих приемно-излучающую апертуруи составляет, например, п=16, Каждыйканал 2 групповой коммутации и управляемой задержки соединен с Ю/и числомэлементов, например 5, многоэлементной матрицы 1 пьезопреобразователей,по следующему закону: первый канал 2групповой коммутации и управляемойзадержки подключен к 1-му, (1+и), 1250932(2+Зп), (2+4 п) элементам и т.д, Каждый канал 2 групповой коммутации и управляемой задержки состоит из по следовательно соединенных запараллеленных пар. иэ генератора 3 зондирующих импульсов и предусилителя 4 эхосигналов, селектора 5, многоэлементной линии 6 задержки, коммутатора 7 и компаратора 8, выход к торого соединен с входом селектора 5, а второй вход - .с входом многоэлементной линии 6 задержки, первого и второго интерфейсов 9 и 10, выходы которых соединены с управляющими входами селектора 5 и коммутатора 7 соответственно, Устройство содержит также последовательно соединенные тактовый генератор 11 и счетчик 12 импульсов, о запоминающий блок 13, выход которого подключен к входу каналов 2 групповой коммутации,и управляемой задержки, и приемник 14 эхо-сигналов, подключейный к выходу коммутатора 7, последовательно соединенные блок 15 управления и калибратор 16. Блок 15 управления выполнен из последовательно соединенных задающего генератора 17, микропроцессора 18, блока 19 ЗО формирования адреса, блока 20 постоянной памяти, блока 21 формирования данных, выход которого подключен к , второму входу микропроцессора 18, и блока 22 управления постоянной па- З 5 мятью, .вход которого подключен к выходу блока 21 формирования данных, а выход - к второму входу блока 20 постоянной памяти. Калибратор 16 выполнен иэ последовательно соединенных 40 триггера 23, схемы 24 И, второго счетчика 25 импульсов и интерфейса 26 и калибровочного генератора 27, подключенного к второму входу схемы 24 И. Выход первого счетчика 12 им пульсов подключен к входу триггера 23, второй вход второго счетчика,5 импульсов и второй вход триггера 23 объединены и подключены к второму выходу микропроцессора 18, соединен о ному с выходом тактового генератора 11. Входы интерфейсов 9 и 10 соединены с блоком 21 формирования данных и блоком 22 управления постоянной памятью. 55 Устройство работает следующим образом. Интерфейсы 9 каждого канала 2 групповой коммутации и управляемой задержки управляют работой селекто" ров 5, выбирающих один из И/п, подключенных к каждому каналу 2 групповой коммутации и управляемой Задержки элементов многоэлементной матрицы 1 пьезопреобраэователей. Интерфейсы 10 управляют величиной задержки импульсов запуска и эхо-сигналов в каждом канале 2 групповой коммутации и управляемой задержки. Это производится при помощи коммутации отдельных отводов многоэлементных линий 6 задержки коммутаторами 7, управляемыми с выходов интерфейсов 10. Таким образом, путем записи в интерфейсы 9 и 10 специальных цифровых кодов блок 15 управления может управлять работой селекторов 5 и величиной задержки каждого канала 2 групповой коммутации и управляемой задержки, определяя тем самым группу пьезопреобраэователей, составляющих приемо-передающую апертуру, а также глубину и направление фокусировки ультразвукового луча. Для повышения быстродействия при сканировании в реальном масштабе времени блок 15 управления предварительно программно формирует в запоминающем блоке 13 таблицу кодов, реализующих заданный закон сканирования и фокусировки. Иикропроцессор 18, тактируемыйзадающим генератором 17, работает по программе, хранящейся в блоке 20постоянной памяти. Обращение к содержимому блока 20 постоянной памяти осуществляется при помощиблока 19 формирования адреса. Считывание и запись информации из блока20 постоянной памяти запоминающего блока 13, интерфейсов 9, 10, 26 производится по двунаправленным линиям данных через блок 21 Формирования данных. Блок 22 управления постоянной памятью дешифрирует часть адпесных сигналов линий адреса и формирует сигналы управления записью (считыванием информации) в/иэ интерфейсов 9, 10, 26, блока 20.постоянной памяти и запоминающего блока 13.Сам процесс сканирования заключается в том, что блок 15 управления считывает иэ запоминающего блока 13 фрагмент таблицы кодов, записывает его в интерфейсы 9 и 10 каналов 2групповой коммутации и управляемой задержки и формирует сигнал запуска, (эпюра 1, фиг.2) по переднему фронту которого тактовый генератор 11 вьда ет импульс запуска (эпюра 2, фиг.2) на каналы 2 групповой коммутации и управляемой задержки. После паузы, необходимой для приема эхо-сигналов с заданной глубины, блок 15 управле 1 О ния считывает из запоминающего блока 13 следующий фрагмент таблицы кодов, и далее операции повторяются до тех пор, пока таблица не исчерпывается, т,е. не достигнут конец одного кад 15 ра сканирования, после чего блок 15 управления опять переходит к началу таблицы для продолжения сканирования, В каждом канале 2 групповой коммутации и управляемой задержки импульсы запуска подаются на входы компараторов 8 и на входы многоэлементных линий 6 задержки, С выходов коммутаторов 7 импульсы запуска, задержанные в соот 25 ветствии с кодами в интерфейсах 10, поступают на входы компараторов 8 (эпюры 3-7, фиг.2) и с выходов компараторов 8 на входы запуска селекторов 5, которые под управлением кодов с интерфейсов 9 направляют импульсы запуска на заданную группу генераторов 3 зондирующих импульсов. Генераторы 3 зондирующих импульсов, формируют зондирующие импульсы на соответствующие им элементы,многоэлемент ной матрицы 1 пьезопреобразователей.Стробируемые компараторы 8 обеспечивают защиту от ложных запусков генераторов 3 зондирующих импульсов сильными эхо-сигналами с выходов. коммутаторов 7, Таким образом осуществляет- ся фокусировка ультразвукового луча на передачу, Принятые пьезоэлементами многоэлементной матрицы 1 пьезопреобразователей эхо-сигналы поступают через предусилители 4 эхо-сигналов на селекторы 5. Последние подают эхосигналы с заданной группы предусилителей 4 эхо-сигналов на входы многоэлементных линий 6 задержки. С выхо дов коммутаторов 7 задержанные эхосигналы поступают на суммирующийвход приемника 14 эхо-сигналов, который их усиливает, детектирует и выдает на выход для дальнейшего эапоми нания или отображения.Для повышения эффективности фокусировки в ультразвуковом сканирующем и Аокусирующем устройстве предусмотрен режим калибровки, В этом режимепри помощи калибратора 16 производится измерение фактических времензадержек в каждом отдельном канале2 групповой коммутации и управляемой задержки, и в соответствии с полученными отклонениями блок 15 управления коррЕктирует соответствующиеэлементы таблицы кодов в запоминающем блоке 13. Калибровка производится после каждого включения устройства и периодически в процессе работы, что позволяет избежать разброса величины задержек, вызванных изменением температурного режима и напряжения питания. Каждый канал 2групповой коммутации и управляемойзадержки калибруется отдельно. Для исключения остальных каналов 2 групповой коммутации и управляемой задержки блок 15 управления блокирует их, записывая в их интерфейсы 10специальный код. После этого в интерфейс 10 калибруемого канала 2групповой коммутации и управляемойзадержки заносится код времени задержки, фактическое значение которого необходимо измерять. Эту функцию выполняет калибратор 16. К немупредъявляются жесткие требованияпо точности измерений, она должнабыть не хуже +5 нс. Измерение времени с такой точностью прямыми методами требует применения высокочастотных измерительных генераторовс частотой Г2/ ь с, где аС - допустимая погрешность измерений, атакже сверхбыстродействующих счетных схем. В связи с этим. в калибраторе 16 реализована схема измеренияс накоплением результата, что позволило уменьшить частоту калиброванного генератора, и кроме того, повысить точность измерений за счет уменьшения случайных погрешностей. Для этого блок 15 управления формирует на тактовый генератор 11 и калибратор 16 сигнал запуска (эпюра 1, фиг. 3), по переднему фронтч ко-торого тактовый генератор 11 выдает короткий импульс запуска (эпюра 2, фиг.3), на калибруемый канал 2 групповой коммутации и управляемой задержки, а счетчики 12 и 25 импульсови триггер 23 приводятся в исходноесостояние, Импульс запуска, пройдя .1 Т = Ч К где Е - частота калибровочного ге-кнератора 27 = 1 МГц; 55 через многоэлементную линию задержки 6 и коммутатор 7 калибруемого канала 2 групповой коммутации и управляемой задержки, поступает на счетный вход калибратора 16 и вход за пуска тактового генератора 11 (эпюра 3, фиг. 3).Таким образом, в режиме калибровки возникает так называемое "синхрокольцо" с периодом следования импульсов, равным времени задержки калибруемого канала 2 групповой коммутации и управляемой задержки и тактового генератора 11. Так как погрешность, вносимая временем задержки тактового генератора 11, является аддитивной и действует на всеканалы 2 групповой коммутации и управляемой задержки одинаково, она невносит искажений в форму ультразвукового луча и может не учитываться.Импульсы синхрокольца поступают насчетный вход счетчика 12 импульсов. В этом счетчике производится подсчет числа периодов Я синхрокольца,в течение которых производится измерение, Триггер 23, установленный передним фронтом сигнала запуска в единичное состояние (эпюра 4, фиг.З), открывает схему 24 И, через которую 30 с выхода калибровочного генератора 27 импульсы счета подаются на счетный вход второго счетчика 25 импульсов. При прохождении по синхрокольцу. заданного числа Я периодов, в З 5 течение которых производится измерение, на выходе первого счетчика 12 импульсов появляется сигнал переноса(эпюра 5, фиг.З). Этот сигнал переводит триггер 23 в нулевое состоя ние, прекращая тем самым, прохождение импульсов калибровочного генератора 27 через схему 24 И и, соответственно, счет второго счетчика 25 импульсов. Блок 15 управления через 45 интерфейс 26 непрерывно опрашивает выход триггера 23, и когда сигнал на выходе становится равным нулю, считывает содержимое второго счетчика 26 импульсов, снимая сигнал запуска.50 Затем блок 15 управления вычисляет фактическое время задержки, полученное при калибровке по формуле- содержимое второго счетчика 25 импульсов;О - число периодов измеренийкалибратора 16, Я = 256,В результате калибровки блок 15управления корректирует соответствующие элементы исходной таблицы кодов, хранящейся в запоминающем блоке 13, и переходит к режиму сканирования,Изобретение позволяет обеспечить высококачественную фокусировку ультразвукового луча, гибко варьировать фокусным расстоянием, изменять закон сканирования, оперативно корректировать искажения, возникающие в каналах сканирования и фокусировки ультразвукового луча.Формула изобретенияУльтразвуковое сканирующее и фокусирующее устройство, содержащее последовательно соединенные многоэлементную матрицу пьеэопреобраэователей и каналы групповой коммутации и управляемой задержки, каждый из, которых состоит из последовательно соединенных запараллеленных пар, состоящих из генератора зондирующих импульсов и предусилителя эхо-сигналов, и селектора, многоэлементной линии задержки, коммутатора и компаратора, выход которого соединен с входом селектора, а второй вход - с входом многоэлементной линии задержки, последовательно соединенные так" товый генератор и счетчик импульсов, запоминающий блок, выход которого подключен к входу каналов групповой коммутации и управляемой задержки, и приемник эхо-сигналов, подключенный к выходу коммутатора, о т л и ч а - ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно снабжено последовательно соеди" ненными блоком управления и калибратором, блок управления выполнен иэ последовательно соединенных задающего генератора, микропроцессора, блока формирования адреса, блока постоянной памяти, блока формирования данных, выход которого подключен к второму входу микропроцессора, и блока управления постоянной памятью, вход которого подключен к выходу блока формирования данных, а выход - к второму входу блока постоянной памя 250932ти, калибратор выполнен из последо вательно соединенных триггера, схемы И, второго счетчика импульсов и интерфейса, и калибровочного генератора, подключенного к второму входу схемы И, выход первого счетчика импульсов подключен к входу триггера, второй вход второго счетчика импульсов и второй вход триггера объединены и подключены к второму выходу ми 10кропроцессора, соединенному с выхо-, дом тактового генератора, каждый ка" нал групповой коммутации и управляемой задержки снабжен первым и вторым интерфейсами, входы которых соединены с блоком формирования данных и блоком управления постоянной памятью, а выходы - с управляющими входами соответственно селектора и коммутатора.оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 02/38 Тираж 778ВНИИПИ Государственногопо делам изобретений 13035, Москва, Ж, Рауш Подписноекомитета СССРи открытийкая наб., д. 4/5