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.