УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФ

Полезная модель предназначена для визуализации неоднородностей (объектов) в однородной среде с помощью ультразвуковых волн с линейным разрешением порядка длины волны.
Известен способ частотно-динамической фокусировки на излучение и прием в медицинских ультразвуковых диагностических сканерах (Патент на изобретение РФ №2355313 C2, МПК A61B 8/00).
Недостатком известного устройства является фокусировка излучения физическим способом, путем подачи определенных сигналов на матрицу излучателей.
Известно устройство ультразвуковой томографии, позволяющее визуализировать неоднородности в плоских металлоконструкциях с применением нескольких излучателей и приемников (Патент на изобретение РФ №2458342 C1, МПК C01N 29/06, прототип).
Устройство содержит антенную решетку с n приемно-передающими элементами, соединенных с выходом соответствующего генератора импульсов и входом соответствующего усилителя с аналого-цифровым преобразователем, выходы преобразователей соединены с соответствующими входами памяти реализации, выходы памяти реализации в количестве N=n·(n+1)/2 соединены с входами вычислительного блока, связанного через память изображения с дисплеем, при этом входы синхронизации каждого генератора импульсов, памяти реализации, вычислительного блока и памяти изображения соединены с соответствующими выходами синхронизатора. В устройство введен соединенный с вычислительным блоком блок накопительной памяти, суммирующий для каждой точки изображения все фрагменты реализаций, времена задержки которых соответствуют временам распространения ультразвуковых сигналов, как без отражений, так и с переотражениями их от границ объекта контроля.
Согласно прототипу, направляют излучение в объект контроля и принимают ультразвуковые сигналы с помощью антенной решетки. Осуществляют фиксацию ультразвуковых колебаний, принятых каждым элементом решетки при излучении ультразвукового сигнала независимо каждым ее элементом, и поточечное построение изображения внутренней структуры объекта путем выбора тех фрагментов, времена задержки которых равны временам распространения ультразвуковых сигналов от излучающего элемента к каждой визуализируемой точке объекта и от нее к приемному элементу. Суммируют выбранные фрагменты для каждой точки изображения и записывают результат суммирования, при этом, учитывая известную толщину объекта контроля, в результирующую сумму выбранных фрагментов реализаций для каждой точки изображения дополнительно включают выборки фрагментов, времена задержек которых равны временам распространения ультразвуковых сигналов, переотраженных от донной и внешней поверхностей объекта контроля на траекториях от излучающего элемента решетки к данной визуализируемой точке объекта и от нее к приемному элементу.
Недостаток известного устройства состоит в том, что обработка данных осуществляется суммированием множества сигналов, что требует значительных вычислительных ресурсов. Кроме того, известное устройство позволяет восстанавливать картину множества поперечных сечений, но не трехмерные изображения.
Технической задачей является восстановление трехмерных ультразвуковых изображений неоднородностей плотности (дефектов или объектов), распределенных в однородной звукопроводящей среде, с высоким разрешением.
Поставленная задача решена тем, что в томографе, включающем N ультразвуковых излучателей, N ультразвуковых приемников, мультиплексор излучающей матрицы на N каналов, мультиплексор приемной матрицы на N каналов, а также микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем, способным выделять из приемных сигналов квадратурные составляющие на различных частотах, в отличие от прототипа ультразвуковые излучатели и ультразвуковые приемники выполнены в виде линейных матриц, размещенных в одной плоскости ортогонально друг другу, мультиплексор излучающей матрицы выполнен с возможностью подключения одного из излучателей к цифро-аналоговому преобразователю микроконтроллера, мультиплексор приемной матрицы выполнен с возможностью одновременного подключения нескольких ультразвуковых приемников к соответствующим каналам аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, а микроконтроллер подключен к устройству обработки информации и визуализации. Трехмерные ультразвуковые изображения неоднородностей восстанавливают путем пространственно согласованной фильтрации локационных сигналов, с применением интеграла свертки на основе быстрого преобразования Фурье. Разрешение в зоне Френеля в плоскости параллельной апертуре составляет порядка длины волны, как для бистатических радаров с синтезированной апертурой. Разрешение по дальности определяется пространственной длительностью эквивалентного зондирующего импульса, которая обратно пропорциональна ширине полосы частот [3].
На фиг. 1 показано схематическое изображение устройства ультразвукового томографа.
Устройство состоит из ультразвуковых излучателей 3, установленных с постоянным шагом в линейной матрице 1, ультразвуковых приемников 4, установленных с постоянным шагом в линейной матрице 2. Матрица 2 ортогональна матрице 1. На плате матрицы 1 размещаются мультиплексоры 5 (интегральные микросхемы), которые служат для мультиплексирования аналоговых сигналов излучателей. На плате матрицы 2 размещаются мультиплексоры 6 аналоговых сигналов приемников. Мультиплексоры соединены с микроконтроллером 7 по бинарным адресным входам и аналоговым входам. Микроконтроллер 7 подключен к блоку обработки информации и блоку визуализации (на рисунке не показаны).
Восстановление ультразвуковых изображений объектов с помощью предложенного устройства осуществляется следующим образом.
Для включения устройства необходимо подать питание на микроконтроллер 7 и на микросхемы мультиплексоров. Исследуемый объект размещают напротив устройства так, чтобы все ультразвуковые излучатели облучали исследуемую часть объекта, которую помещают в области прямой видимости матрицы приемников. Объект размещают на расстоянии, меньшем, чем линейный размер матриц излучателей и приемников.
Ультразвуковые излучатели 3 подключены к аналоговым мультиплексорам 5 и обеспечивают выбор любого излучателя, подключаемого к цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП) микроконтроллера 7; Ультразвуковые приемники 4 подключены к аналоговым мультиплексорам 6 и обеспечивают одновременное подключение нескольких приемников к каналам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера 7; Мультиплексоры 5 и 6 электрически подключены к соответствующим матрицам излучателей и приемников, а также к выходам АЦП и ЦАП микроконтроллера 7, служащего для передачи двоичных сигналов на адресные входы мультиплексоров, для приема сигналов и для управления их бинарными адресными входами (на схеме подключения обозначены широкими стрелками).
Благодаря такой схеме матрица ультразвуковых излучателей позволяет излучать широкополосные акустические сигналы любым отдельно выбранным излучателем, а матрица ультразвуковых приемников позволяет принимать широкополосные акустические сигналы с нескольких приемников одновременно. Соответственно, мультиплексоры матрицы излучателей позволяют мультиплексировать знакопеременные аналоговые сигналы на ультразвуковых частотах и выбирать единственный излучатель для подключения к ЦАП микроконтроллера по бинарным адресным сигналам микроконтроллера. Мультиплексоры матрицы приемников позволяют мультиплексировать аналоговые знакопеременные сигналы на ультразвуковых частотах и выбирать несколько приемников для подключения к нескольким каналам АЦП микроконтроллера по бинарным адресным сигналам микроконтроллера;
Микроконтроллер позволяет осуществлять оцифровку сигналов на ультразвуковых частотах, имеет АЦП, ЦАП и несколько бинарных выходов для управления мультиплексорами. Частота работы микроконтроллера и объем памяти позволяет вычислять квадратуры сигналов на различных частотах для различных комбинаций излучателей и приемников.
Микроконтроллер передает сигналы для их дальнейшей обработки в устройство обработки информации и визуализации, где специальная программа ЭВМ (программа пространственно согласованной фильтрации локационных сигналов с применением интеграла свертки на основе быстрого преобразования Фурье) восстанавливает трехмерные ультразвуковые изображения неоднородностей в среде.
Устройство восстанавливает изображения в реальном времени, компактно, необходимое питание может получать от USB порта персонального компьютера.
Техническим результатом является возможность получать трехмерные изображения неоднородностей. Разрешение по дальности определяется обратно-пропорционально ширине полосы частот сигнала. Разрешение параллельно плоскости ультразвуковой решетки в зоне Френеля составляет порядка длины волны самого высокочастотного сигнала в спектре. Список использованной литературы
1. RU №2355313, C2, МПК A61B 8/00, 2009 г.
2. RU №2458342 C1, МПК G01N 29/06, 2012 г., прототип.
3. Кондратенков Г.С, Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов/ Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: «Радиотехника», 2005. - с. 368.