научная статья по теме ДВУМЕРНЫЕ ПЬЕЗОМАТРИЦЫ ДЛЯ СИСТЕМ ТРАНСКРАНИАЛЬНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ Физика

Текст научной статьи на тему «ДВУМЕРНЫЕ ПЬЕЗОМАТРИЦЫ ДЛЯ СИСТЕМ ТРАНСКРАНИАЛЬНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 10, с. 1420-1424

УДК 681.7:534

ДВУМЕРНЫЕ ПЬЕЗОМАТРИЦЫ ДЛЯ СИСТЕМ ТРАНСКРАНИАЛЬНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ © 2015 г. В. Д. Свет1, В. В. Чернокожин2, Ю. И. Завадский2

Для создания ультразвуковых систем транскраниальной диагностики структур мозга принципиально необходимы двумерные датчики матричного типа с достаточно большим числом приемных элементов. Эта необходимость вызвана двумерной кривизной черепных костей и их слоистостью, которые создают значимую рефракцию акустических волн. Использование традиционных линейных УЗ-датчиков для такой диагностики проблематично поскольку выпущенный под некоторым углом акустический луч, отразившись от какой-либо структуры, из-за рефракционных эффектов может не попасть в линейный приемник. Рассмотрен способ построения двумерных матричных датчиков с интегрально встроенным коммутатором сигналов на основе приборов с зарядовой связью. Показано, что такое решение позволяет создавать приемные датчики практически с неограниченным числом элементов, высоким быстродействием и достаточным динамическим диапазоном. Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований такого гибридного прибора.

Б01: 10.7868/80367676515100282

ВВЕДЕНИЕ

В современных устройствах ультразвуковой (УЗ) медицинской диагностики, неразрушающе-го контроля и подводного звуковидения в основном используют одномерные (линейные) решетки для получения двумерных и трехмерных акустических изображений. Для систем ультразвуковой диагностики через кости черепа приемные датчики должны быть принципиально двумерными, т.е. матричными. Это требование обусловлено особенностью акустических свойств черепной кости: из-за ее слоистости, двумерной кривизны внешней поверхности и сильно выраженных неровностей профиля внутренней поверхности ультразвуковые волны испытывают заметную рефракцию. Кроме того, кости черепа заметно ослабляют проходящие через них сигналы. Из-за рефракции излученный под некоторым углом зондирующий ультразвуковой пучок после прохождения внутрь черепа может заметно изменить свое направление и не попасть в диагностируемый участок биологической ткани, а рассеянные на неоднородно-стях волны после повторного прохождения через костный слой также могут отклониться непредсказуемым образом. Учет такой нерегулярной рефракции требует регистрации двумерного волнового фронта, что невозможно сделать с использованием традиционных линейных датчиков.

Нужно отметить, что, точки зрения волновой физики, задача транскраниальной диагностики достаточно сложна и требует новых подходов как в теоретическом моделировании процессов, развитии специальных методов обработки сигналов,

1 АО Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева.

2 ОАО "НПП "Пульсар".

так и в разработке самих двумерных решеток и способов съема диагностических данных. Что касается решения последней из упомянутых задач, перспективны проводимые в последнее время исследования по разработке двумерных матриц приемников на основе емкостных микромеханических ультразвуковых преобразователей (CMUT), интегрально соединенных с электроникой на базе комплементарной структуры металл—оксид—полупроводник (CMOS) [1]. Однако сами акустические приемники в устройствах CMUT, являясь конденсаторными микрофонами, обладают многими недостатками и могут использоваться далеко не для всех практических применений. Альтернативными устройствами являются разработанные еще в 1960-х гг. Л.Д. Розенбергом, Ю.Б Семенниковым и П.К. Ощепковым ультразвуковые камеры с твердотельной пьезоэлектрической матрицей и электронно-лучевым коммутатором (униконом). Несмотря на прошедшее время, эти камеры до сих пор не превзойдены ни по числу приемных элементов (105), ни по быстродействию 24 кадр/с) [2]. Несмотря на указанные разработки, задача практического создания многоэлементных двумерных приемоизлучающих УЗ-решеток в настоящее время остается нерешенной. В настоящей статье исследуется один из возможных подходов для продвижения в этом направлении.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДВУМЕРНЫХ УЗ-ДАТЧИКОВ

Под двумерным УЗ-датчиком мы будем понимать гибридное устройство, состоящее из двумерной пьезоматрицы и коммутатора сигналов. Создание таких устройств требует существенно иных

подходов к разработке, чем при использовании схемотехнических решений, характерных для традиционных УЗ-систем. Первичным чувствительным элементом, составляющим основу любого УЗ-приемника, является пьезоэлемент, преобразующий акустическое давление в электрическое напряжение. Пьезоэлементы располагаются в виде регулярного массива и имеют размеры от 50 мкм до 1 мм в зависимости от диапазона рабочих частот. Изготовление таких матриц не представляет трудностей. Основная сложность — это создание схемы считывания электрических сигналов с элементов матрицы. Эта схема должна обеспечивать считывание мгновенных значений напряжений со всех элементов массива с частотой, по крайней мере в 2 раза превышающей верхнюю границу рабочего диапазона (критерий Найкви-ста). Что касается количества выборок сигнала с каждого элемента, то оно должно перекрывать по длительности тот временной интервал, в течение которого на приемник поступает акустический сигнал, отраженный от интересующего слоя зондируемого объекта. Для считывания сигнала в традиционных линейных УЗ-решетках используют набор каналов преобразования сигнала, по одному на каждый пьезоэлемент. Каждый канал состоит из усилителя напряжения и аналого-цифрового преобразователя. При работе УЗ-решетки все каналы преобразования работают одновременно и в совокупности формируют параллельный поток цифровых данных, поступающий в систему обработки. Совершенно ясно, что создание компактной двумерной УЗ-решетки размером 100 х 100 элементов является достаточно сложной и дорогостоящей задачей. Традиционная схема параллельного считывания сигналов, которую успешно применяют многие годы для работы с одномерными решетками, совершенно непригодна для двумерных (матричных) структур. Возрастание числа каналов до нескольких тысяч требует введения схемы коммутации (мультиплексора), которая способна проводить последовательный опрос сигнала с разных ячеек. В этом случае число каналов усиления и оцифровки может быть уменьшено до разумного значения (в предельном случае до одного). Такой мультиплексор должен представлять собой монолитную интегральную схему, имеющую матричную структуру с тем же числом и расположением элементов, что и сама антенная решетка. При этом необходимо иметь в виду, что последовательный опрос двумерного массива из нескольких тысяч ячеек неминуемо будет занимать значительное время — порядка нескольких миллисекунд. Это на несколько порядков больше, чем допустимый интервал времени между последовательными считываниями сигнала с каждого пьезоэлемента (десятки или сотни наносекунд).

Матрица

Матрица ПК "ватрк-ЬоИ" Мультиплексор

Рис. 1. Структурная схема матричного УЗИ-прием-ника.

Для того, чтобы обойти указанную трудность, в настоящей работе предлагается следующее.

1. Мультиплексор должен содержать матрицу ячеек выборки/хранения, играющую роль аналоговой памяти. Эти ячейки должны стробировать-ся одновременно по всему массиву, причем апер-турное время выборки сигнала должно быть достаточно малым (в зависимости от рабочей полосы частот сигнала от сотен до единиц наносекунд). По окончании стробирующего импульса ячейки должны обеспечивать хранение сигнала в течение всего времени опроса массива. В свою очередь схема коммутации и считывания должна работать с сигналами, хранящимися в этих ячейках памяти (рис. 1).

2. Для снятия одного кадра УЗ-поля необходимо использовать режим стробоскопической развертки. Это означает, что для получения одного кадра изображения необходимо провести многократное повторение цикла "зондирование—стро-бирование—считывание". При этом интервал времени между зондирующим и стробирующим импульсами должен изменяться от цикла к циклу так, чтобы при объединении отсчетов сигнала, полученных в разных циклах, можно было восстановить полную картину изменения сигнала в каждой ячейке в течение требуемого интервала времени.

Во многих работах рассматривают схемы двух-координатного мультиплексора на основе кремниевой СМОВ-технологии. Такие схемы успешно применяются в СМОВ-датчиках оптического изображения. Однако эти схемы обладают одним существенным недостатком — высоким уровнем шумов и перекрестных помех. Это связано с тем, что для считывания сигнала используются сквозные шины, пересекающие все поле прибора и имеющие сравнительно большую емкость. При работе с относительно большими сигналами этот недостаток не столь важен, однако если требуется коммутировать УЗ-сигналы на уровне единиц микровольт, то проблема шумов выходит на первый план. Именно по этой причине СМОВ-датчики изображения не могут конкурировать с оптическими датчиками на приборах с зарядовой связью (ПЗС) в тех областях применений, где требуется

1422

СВЕТ и др.

Пьезоэлемент матрицы

Рис. 2. Возможная топологическая структура матричного ПЗС-мультиплексора.

достижение предельных параметров по чувствительности и динамическому диапазону, поэтому разработка интегрального мультиплексора на основе технологии ПЗС представляется наиболее перспективной для УЗ-визуализации.

ПОСТРОЕНИЕ МУЛЬТИПЛЕКСОРА НА ОСНОВЕ ПЗС

Основное свойство ПЗС-матриц, определяющее их широкое использование в системах получения изображений, это свойство самосканирования. Полезный сигнал, сформированный тем или иным способом, хранится в ячейках матрицы в виде зарядовых пакетов. Эти пакеты перемещаются из ячейки в ячейку под действием управляющих импульсов, причем процесс переноса является практически бесшумным. Единственное место в приборе, которое вносит дополнительный шум, это выходной узел считывания, преобразующий зарядовые пакеты в импульсы напряжения на выходе прибора. Результирующий уровень шума в современных ПЗС составляет от единиц электронов до 30—50 электронов в зависимости от скорости считывания. Второе важное достоинство ПЗС-матриц — это простота и регулярность структуры прибора, что дает возможность минимизиров

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком