Thiết kế bộ điều khiển cho đầu dò siêu âm dựa trên công nghệ FPGA ứng dụng cho ảnh siêu âm trong y tế

Các thiết bị siêu âm hiện đại ngày nay hầu hết đã sử dụng đầu dò mảng pha để thay thế cho những đầu dò đơn thể do khả năng quét và đo ở chế độ làm việc B-Mode được điều khiển bằng điện t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

NGUYỄN DUY THÔNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐẦU DÒ SIÊU ÂM DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ FPGA ỨNG DỤNG CHO ẢNH SIÊU ÂM TRONG Y TẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRỊNH QUANG ĐỨC

Hà Nội - Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn này dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác Nội dung của luận án có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo

Hà Nội, 07/ 2015

Tác giả

Nguyễn Duy Thông

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

PHẦN MỞ ĐẦU 10

LỜI NÓI ĐẦU 12

CHƯƠNG I : ĐẦU DÒ SIÊU ÂM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẢNG PHA 13

1.1 Công nghệ mảng pha 13

1.2 Đầu dò mảng pha 15

1.2.1 Cấu tạo 15

1.2.2 Hệ thống dãy tổ hợp pha là gì? 16

1.2.3 Hoạt động 17

1.2.4 Các chỉ tiêu trong thiết kế đầu dò 18

1.2.5 Phân loại 19

1.3 Các chế độ hiển thị hình ảnh siêu âm với công nghệ mảng pha 19

1.3.1 Hiển thị dạng A-Scan 20

1.3.2 Hiển thị dạng B-Scan 21

1.3.3 Hiển thị dạng C-Scan 22

1.4 Vai trò của tia siêu âm hội tụ và ảnh hưởng của nó tới chất lượng ảnh siêu âm 23

TỔNG KẾT CHƯƠNG I 29

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TRỄ HỘI TỤ 31

2.1 Các phương pháp hội tụ tia siêu âm 31

2.1.1 Phương pháp hội tụ tia siêu âm sử dụng “thấu kính âm” 31

2.1.2 Phương pháp hội tụ bằng cách tạo các bề mặt bậc 2 32

2.1.3 Phương pháp hội tụ sử dụng trễ pha 32

2.2 Hội tụ tia siêu âm sử dụng đầu dò mảng pha 33

2.3 Các phương pháp tính toán trễ pha 35

2.3.1 Phương pháp tính trực tiếp bằng hình học 35

2.3.2 Phương pháp tính gián tiếp qua mặt cầu tương đương 37

2.4 Lựa chọn gốc tọa độ 38

2.4.1 Tia hội tụ vuông góc 39

2.4.2 Tia hội tụ lệch góc 40

2.4.3 Lựa chọn tọa độ gốc 41

TỔNG KẾT CHƯƠNG II 43

CHƯƠNG III: LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG 44

3.1 Mô hình phân bố áp suất âm trên mặt phẳng 44

3.2 Phương pháp số hóa phương trình phân bố áp suất âm 46

3.3 Các thông số 46

3.3.1 Thiết diện phát tia 46

3.3.2 Thiết diện phát tia hiệu quả 47

3.3.3 Thiết diện phát tia tối thiểu 48

3.3.4 Góc mở bị động 48

3.3.5 Pitch 49

3.3.6 Độ rộng phần tử 49

3.3.7 Kích thước lớn nhất của phần tử 49

3.3.8 Kích thước nhỏ nhất của phần tử 49

3.3.9 Dải quét 50

3.3.10 Búp sóng phụ 50

3.3.11 Biên độ búp sóng phụ 51

3.4 Mô phỏng và đánh giá 52

TỔNG KẾT CHƯƠNG III: 56

CHƯƠNG IV : CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ĐẦU DÒ MẢNG PHA 57

4.1 Ưu thế của công nghệ FPGA trong thiết kế đầu dò mảng pha 57

4.2 Ngôn ngữ mô tả phần cứng 61

4.3 Phương pháp tiếp cận và giải pháp tạo trễ cho đầu dò siêu âm mảng pha 62

4.3.1 Phương pháp tiếp cận 62

4.3.2 Tổng quan về hệ thống 64

TỔNG KẾT CHƯƠNG IV: 69

CHƯƠNG V: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 70

5.1 Khối điều khiển 70

5.1.1 Sơ đồ khối 70

5.1.2 Hoạt động 70

5.2 Khối Decoder 71

5.2.1 Sơ đồ khối 71

5.2.2 Hoạt động 71

5.2.3 Mô phỏng 72

5.3 Khối Latch 72

5.3.1 Sơ đồ khối 72

5.3.2 Hoạt động 72

5.3.3 Mô phỏng 73

5.4 Khối Delay 73

5.4.1 Khối Pulse_Enable 73

5.4.1.1 Sơ đồ khối 73

5.4.1.2 Hoạt động 74

5.4.1.3 Mô phỏng 75

5.4.2 Khối Out_Pulse 75

5.4.2.1 Sơ đồ khối 75

5.4.2.2 Hoạt động 75

5.4.2.3 Mô phỏng 76

5.5 Mô phỏng tín hiệu bộ điều khiển 76

5.6 Thảo luận và đánh giá kết quả mô phỏng 77

TỔNG KẾT CHƯƠNG V: 80

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DPLL Digital Phase Locked Loop Vòng khóa pha số

EHF Extremely High Frequency Tần số rất cao

FPGA Field-Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình được dạng

trường GAL Generic Array Logic Mảng logic chung

HDL Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng

LPLL Linear Phase Locked Loop Vòng khóa pha phi tuyến

MAC Multication and Accumulation Bộ nhân cộng

PAL Programable Array Logic Mảng logic lập trình được

PFD Phase Frequency Detector Bộ dò tần số pha

PLA Programable Logic Array Mảng logic lập trình được

PROM Programable Read Only Bộ nhớ chỉ đọc lập trình được

Memory

RAM Random Acess Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

SPLD Simple Programmable Logic Linh kiện logic lập trình đơn giản

Devices SPLL Software Phase Locked Loop Vòng khóa pha bằng phần mềm T/R Transceiver/ Receiver Máy phát/ Máy thu

VCO Voltage Controlled Oscillators Bộ dao động điều khiển bằng

tần số bằng điện áp VFO Variable-frequency Oscillators Bộ dao động thay đổi tần số VHDL VHSICHardware Description Ngôn ngữ mô tả phần cứng mạch

VHSIC Very High Speed Intergrated Mạch tích hợp tốc độ cao

Circuit

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Cấu tạo đầu dò mảng pha 1 hàng thẳng 15

Hình 1 2: Các đầu dò mảng pha 1 hàng thẳng 15

Hình 1 3: Các dạng đầu dò mảng pha 16

Hình 1 4: Chùm tia góc được tạo ra bởi đầu dò phẳng bằng cách thay đổi thời gian trễ 18

Hình 1 5: Chùm tia hội tụ quét thẳng 18

Hình 1 6: Hình ảnh quét ở chế độ A-Scans (không có nêm) 20

Hình 1 7: Hình ảnh quét ở chế độ A-Scans ( có nêm) 21

Hình 1 8: Hình ảnh quét ở chế độ B-Scans 21

Hình 1 9: Hình ảnh quét thẳng điện tử B-scan hiển thị vị trí và độ sâu tương đối của lỗ theo chiều dài dãy 22

Hình 1 10: Hình ảnh quét ở chế độ C-Scans 23

Hình 1 11: Tốc độ lan truyền sóng trong từng môi trường 25

Hình 1 12: Phân bố áp suất âm của một phần tử đầu dò mảng pha với phần tử áp điện 0,6mm 26

Hình 2 1: Một mặt thấu kính âm tiêu biểu 31

Hình 2 2: Một đầu dò siêu âm mặt cầu lõm tiêu biểu 32

Hình 2 3: Nguyên lý lái tia siêu âm và hội tụ sóng âm bằng kỹ thuật mảng pha 33

Hình 2 4: Giá trị trễ pha đặt vào từng phần tử trong đầu dò siêu âm 34

Hình 2 5: Mô hình của điều khiển hội tụ tia siêu âm 35

Hình 2 6: Minh họa phương pháp tính trễ pha trực tiếp bằng hình học 36

Hình 2 7: Minh họa phương pháp tính trễ pha bằng xấp xỉ mặt bậc 2 37

Hình 2 8: Tia hội tụ lệch góc 40

Hình 2 9: Pha của các phần tử trong mảng pha khi: 42

Hình 2 10: Pha của các phần tử mảng với tia hội tụ lệch góc khi góc  = 180,n=8 42

Hình 3 1: Các thông số của đầu dò mảng pha 47

Hình 3 2: Định nghĩa thiết diện phát tia hiệu quả 48

Hình 3 3: Định nghĩa dải quét  50

Hình 3 4: Mô hình búp sóng phụ và búp sóng chính 50

Hình 3 5: Biên độ búp sóng phụ phụ thuộc vào số lượng phần tử và pitch (f=1MHz) 51

Hình 3 6: Búp sóng phụ phụ thuộc vào tần số (n=16, p= 0,75 mm) 51

Hình 3 7: Ứng suất phân bố của chùm tia (F=60mm, p=0.75mm) 53

Hình 3 8: Mặt cắt theo trục x của ứng suất phân bố chùm tia (F=60 mm, r=60 mm) 53

Hình 3 9: Mặt cắt theo trục x của ứng suất phân bố với r =40mm (F=60 mm) 54

Hình 3 10: Phân bố áp suất dọc theo chùm tia 55

Hình 3 11: Mặt cắt theo trục x của ứng suất phân bố 56

Hình 4 1: Sơ đồ chức năng hệ thống điều khiển hội tụ siêu âm 64

Hình 4 2: Programmable logic board (FPGA) 68

Hình 4 3: Programmable logic board (FPAA) 68

Hình 5 1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển 70

Hình 5 2: Sơ đồ khối của khối Decoder 71

Hình 5 3: Mô phỏng tín hiệu của khối Decoder 72

Hình 5 4: Sơ đồ của khối chi tiết của khối Latch 72

Hình 5 5: Mô phỏng tín hiệu của khối Latch 73

Hình 5 6: Sơ đồ khối Pulse_enable 74

Hình 5 7: Mô phỏng khối Pulse_Delay 75

Hình 5 8: Sơ đồ khối Out_pulse 75

Hình 5 9: Mô phỏng khối Out_pulse 76

Hình 5 10: Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển 77

Hình 5 11: Mặt cắt theo trục x của áp suất phân bố (F=20 mm, n=16,p=1mm, sai số

16 ns) 78 Hình 5 12: Áp suất phân bố dọc theo trục y ( sai số 16 ns) 79 Hình 5 13: Vùng hội tụ của chùm tia theo trục y (sai số 16 ns) 80

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ảnh siêu âm đã được biết đến từ lâu như là một phương tiện hữu ích phục vụ cho chẩn đoán bệnh dựa trên những hình ảnh trực quan về các cơ quan sinh học trong cơ thể con người Tuy nhiên, hiện nay, các thiết bị siêu âm được sử dụng tại Việt Nam vẫn phải nhập ngoại do đó giá thành đầu tư cũng như bảo trì, bảo hành có chi phí rất cao Ở khía cạnh kỹ thuật, muốn phát triển và làm chủ công nghệ chẩn đoàn bằng hình ảnh siêu âm, cần phải có một cơ sở thiết bị nền tảng để phát triển những thuật toán tái tạo hình ảnh, xử lý nhiễu của tìn hiệu đo, cũng như áp dụng những thuật toán và phép đo làm tăng độ phân giải của hình ảnh siêu âm từ đó đưa

ra những phát triển cho những thiết kế thiết bị chẩn đoán hình ảnh siêu âm trong y

tế

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

Các thiết bị siêu âm hiện đại ngày nay hầu hết đã sử dụng đầu dò mảng pha để thay thế cho những đầu dò đơn thể do khả năng quét và đo ở chế độ làm việc B-Mode được điều khiển bằng điện tử do đó cho kết quả nhanh hơn chính xác hơn phép điều khiển quét bằng những hệ truyền động cơ điện Tuy nhiên, nếu cấu trúc mạch điện phức tạp sẽ làm cho hệ thống có độ tin cậy thấp Các mạch vi điện tử hiện nay đã đáp ứng được nhiều bài toán kể cả việc tích hợp những ứng dụng analog cũng như digital trên một chip đơn Đề tài này dự kiến sẽ phát triển thiết kế thử nghiệm một hệ thống điều khiển quét tia siêu âm cho đầu dò mảng pha xung quanh một lõi cơ bản là chip FPGA với số lượng đầu dò siêu âm mảng pha có số phần tử lên đến 64 phần tử Mô hình hệ thống sẽ được đánh giá thông qua những phần mềm mô phỏng chuyên dụng

3 Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

- Nghiên cứu kỹ thuật mảng pha ứng dụng cho đầu dò siêu âm

- Nghiên cứu kỹ thuật quét tia siêu âm dựa trên kỹ thuật mảng pha

- Tính toán và mô phỏng số hóa các thông số đầu vào của đầu dò mảng pha bằng công cụ Matlab

- Nghiên cứu, tìm hiểu, lựa chọn chip FPGA thích hợp với những đầu dò mảng pha có số phần tử đến 64 phần tử

- Lập trình mô phỏng cho chip FPGA dựa trên những phần mềm chuyên dụng

để kiểm tra chức năng của hệ thống

- Luận văn đã thiết kế được một bộ điều khiển đầu dò siêu âm dựa trên công nghệ FPGA với số phần tử lớn, độ sâu quét và có thể thay đổi các thông số đầu vào linh hoạt áp dụng cho việc tạo ảnh siêu âm trong y tế

4 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa vào lý thuyết cơ bản của công nghệ mảng pha xây dựng nên hệ thống mảng pha đồng thời kết hợp và so sánh với các đầu dò thực tế trước đó để đưa ra các thông số phù hợp cho đầu dò

- So sánh, đối chiếu và tổng hợp với các kết quả nghiên cứu trước đó để đưa ra các điểm mới, các cải tiến cho luận văn

- Thống kê từ các kết quả mô phỏng để đánh giá tính khả thi cũng như sai số nếu áp dụng cho các linh kiện thực tế

5 Kết luận

Siêu âm trong y tế không phải là một lĩnh vực quá mới Tuy nhiên, vẫn cần có những nâng cấp kỹ thuật để cải thiện chất lượng hình ảnh, bên cạnh đó tạo ra nền tảng bền vững để phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu và hình ảnh Vì vậy, nghiên cứu, tìm hiểu, cải tiến mới trong siêu âm cần phải có sự quan tâm, chú trọng không những trong ngành y tế mà còn có khối ngành kỹ thuật Có như vậy chúng ta có thể chủ động trong tiếp cận các công nghệ mới đáp ứng với nhu cầu hiện đại hóa các thiết bị trong ngành y tế

LỜI NÓI ĐẦU

Siêu âm (Ultrasound) là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh không xâm lấn, phương pháp tạo ảnh là sử dụng sóng siêu âm (sóng âm tần số cao) để xây dựng và tái tạo hình ảnh về cấu trúc bên trong cơ thể Những hình ảnh này cung cấp thông tin có giá trị trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh Do hình ảnh siêu âm được ghi nhận theo thời gian thực nên nó có thể cho thấy hình ảnh cấu trúc và sự chuyển động của các bộ phận bên trong cơ thể kể cả hình ảnh dòng máu đang chảy trong các mạch máu Kể từ khi siêu âm được ứng dụng vào trong y học đến nay, trải qua nhiều tiến bộ về kỹ thuật trong chất lượng hình ảnh, siêu âm đã trở thành công cụ chẩn đoán hình ảnh thông dụng và phổ biến Phương pháp siêu âm chẩn đoán có những lợi thế nổi bật: khả năng ứng dụng rộng, thông tin chẩn đoán cao, gọn nhẹ, cho kết quả nhanh và đặc biệt không can thiệp vào bên trong các đối tượng cần kiểm tra

Ngày nay, để đáp ứng với yêu cầu ngày càng cao của chất lượng hình ảnh siêu âm, đầu dò mảng pha ra đời thay thế các đầu dò thông thường trước đó Hệ thống mảng pha có thể quét chùm tia dưới cả dải góc khúc xạ hoặc theo dọc theo đường thẳng, hoặc hội tụ ở những độ sâu khác nhau, do đó tăng tính linh hoạt và khả năng trong kiểm tra Không những được ứng dụng trong lĩnh vực y tế, đầu dò siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác như kiểm tra mối hàn, kiểm tra độ liên kết, phát hiện vết nứt trong khai thác

Với mong muốn nghiên cứu tìm hiểu sâu, kĩ về lĩnh vực siêu âm, tác giả đã

nghiên cứu đề tài “Thiết kế bộ điều khiển cho đầu dò siêu âm dựa trên công

nghệ FPGA ứng dụng cho ảnh siêu âm trong y tế” Dù có nhiều có gắng nhưng

luận văn cũng không tránh khỏi sự sai sót, rất mong sự góp ý của các thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn TS Trịnh Quang Đức và các thầy cô Viện Điện tử

- Viễn thông đã giúp em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG I : ĐẦU DÒ SIÊU ÂM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ

MẢNG PHA

Từ khi ra đời và phát triển cho đến nay, công nghệ siêu âm đã mang lại cho con người rất nhiều lợi ích trên rất nhiều lĩnh vực, nó có thể kiểm tra, xâm nhập những nơi mà con người không thể chạm đến Về mặt y học, giúp con người phát hiện và chẩn đoán bệnh tật chính xác Tuy nhiên về lâu dài muốn nâng cao hiệu quả trong việc khám chữa bệnh thì các thiết bị siêu âm cũng phải cải tiến Để đáp ứng được việc đó, người ta đã áp dụng công nghệ mảng pha vào trong đầu dò siêu âm Với công nghệ này, chúng ta có thể thu được những hình ảnh với chất lượng tốt nhất, nhanh nhất, độ chính xác cao nhất Còn về mặt công nghệ chế tạo thiết bị chúng

ta có thể thu nhỏ kích thước của các đầu dò siêu âm, và tốc độ hội tụ nhanh hơn so với các công nghệ khác Vùng quét cũng được điều chỉnh và rộng hơn so với các đầu dò thông thường Tuy nhiên với công nghệ này việc đòi hỏi chi phí sản xuất cao, công nghệ và điều khiển phức tạp Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về công nghệ mảng pha, công nghệ mảng pha ứng dụng trên đầu dò siêu âm

Công nghệ mảng quét điện tử ra đời là kết quả tự nhiên của công nghệ mảng tia cố định, đã ra đời vào những năm 1920 Trong đó được biết đến nhiều nhất là anten mảng Yagi và mảng dọc của lưỡng cực nữa bước sóng trong hệ thống radar phòng không Hệ thống quét đầu tiên sử dụng thiết bị cơ khí để tạo ra sự thay đổi về pha và chùm tia chuyển động, nhưng đến năm 1950 công nghệ này mới thực sự ra đời và được xem như là nguồn gốc của hệ thống mảng pha ngày nay

Một trong những phát triển quan trọng, cần thiết để có được hệ thống mảng pha Bao gồm sự phát triển của công cụ tổng hợp, sự hiểu biết về các hiện tượng giao thoa sóng, sự phát triển mạnh của kỹ thuật mô phỏng để mô tả chính xác mảng với các yếu tố bên trên và bên trong các chất điện môi, sự phát triển của các kỹ thuật tối ưu hóa thích nghi và máy tính hỗ trợ cho việc thiết kế để cho ra độ chính xác cao

Mặc dù các nguyên tắc cơ bản của quét mảng được biết vào những năm 1920

và quét điện tử vào những năm 1930, nhưng phải đến năm năm 1950, cơ chế quét điện tử mới được thực hiện Trong thời gian quá độ, đã có nhiều máy quét được phát minh và sử dụng, nhưng công nghệ thiết bị không được hỗ trợ quét điện tử cho đến khi các máy dịch pha đầu tiên ra đời năm 1954-1955

Từ những năm 1950, được sự hỗ trợ đáng kể kinh phí quân sự của Mỹ và châu

Âu, đã có những tiến bộ đáng kể trong công nghệ quét mảng Gồm các radar sử dụng cho hệ thống mặt đất và tàu chiến và các radar mảng pha trên không Các hệ thống thông tin liên lạc đã thúc đẩy sự phát triển mảng ở tần số HF, sau đó kích thích nghiên cứu các kỹ thuật thích ứng và tần số mới được nâng cấp lên dải EHF Rất nhiều các thiết bị và công nghệ khác nhau được phát triển để tiếp tục phát triển mảng pha

Chi phí của các hệ thống mảng pha cũng là nhân tố chính làm chậm việc sử dụng chúng trong nhiều hệ thống ứng dụng Quá trình tính toán xử lý trong hệ thống lúc đầu với yêu cầu về độ khuếch đại, tiếng ồn, nhiệt độ và mất mảng cao, đã làm tăng quá trình điều khiển công suất và độ phức tạp của hệ thống

Lịch sử gần đây đã thay đổi, và sự thay đổi này được xây dựng trên sự phát triển mảng trạng thái rắn mà bắt đầu vào năm 1960 với sự ra đời của mạch in và các modul T/R đầu tiên Một bước quan trọng trong sự tiến hóa này là sự phát minh ra các anten microtrip với nhiều biến thể, đã trở thành các nhân tố thúc đẩy sự phát triển của mảng pha có chi phí thấp Tuy nhiên, chi phí vẫn là yếu tố quan trọng ức chế sự phát triển của công nghệ này, nhưng với sự phát triển mạnh mẽ của radar, các hệ thống thông tin liên lạc thì công nghệ mảng pha vẫn là một công cụ hữu ích

và vô giá

Ngày nay, công nghệ mảng pha đã phát triển mạnh và được áp dụng rộng rãi Chúng không những được sử dụng trong các hệ thống thông tin liên lạc, trên các radar, tàu chiến, các hệ thống phòng thủ mà còn được ứng dụng trong các thiết bị siêu âm kiểm tra lỗi sản phẩm, đo độ sâu, độ dày ứng dụng trong công nghiệp Ứng dụng cho hệ thống siêu âm trong y tế cho hình ảnh trung thực và tốc độ xử lý cao

Ngoài ra, còn được ứng dụng trong các thiết bị di động cầm tay nhằm làm giảm kích thước và tăng tốc độ

1.2.1 Cấu tạo

Đầu dò mảng pha được đặt vấn đề nghiên cứu lần đầu tiên vào những năm

1960 và đến năm 1970 những đầu dò thương mại lần đầu tiên được xuất hiện trên thị trường với mục đích ứng dụng vào y học trong việc tái tạo ảnh của nội tạng trong cơ thể Sau đó, dựa trên những thành tựu đã đạt được trong các ứng dụng y học, các nhà nghiên cứu cũng ứng dụng kỹ thuật này để kiểm tra vật liệu không phá hủy chủ yếu là áp dụng cho những lĩnh vực trong công nghiệp Cho đến nay, đầu dò mảng pha đã trở nên thông dụng và xuất hiện trong nhiều ứng dụng của đời sống Đầu dò mảng pha thông thường là đầu dò một hàng thẳng, là loại đầu dò bao gồm nhiều phần tử được xếp thành một hàng thẳng Ở giữa các phần tử là những khoảng trống được gọi là khe phần tử Những cấu hình thông dụng của các loại đầu

dò mảng pha một hàng thẳng bao gồm các tổng số phần tử khác nhau Tùy thuộc vào tần số của dao động cộng hưởng của các phần tử mà khoảng cách khe phần tử phải được tính toán sao cho hợp lý Nếu quá rộng thì sẽ tạo ra hiệu ứng sinh các búp sóng phụ, trong khi nếu quá hẹp thì sẽ suy giảm thiết diện phát sóng làm thu hẹp giới hạn hội tụ

Hình 1 1: Cấu tạo đầu dò mảng pha 1 hàng thẳng

Hình 1 2: Các đầu dò mảng pha 1 hàng thẳng

Tùy thuộc vào các dạng ứng dụng khác nhau mà đầu dò mảng pha được thiết

kế với cấu trúc hình học khác nhau và các cách bố trí khác nhau Ngoài đầu dò mảng pha dạng một hàng thẳng là loại hình đơn giản nhất thì còn có các dạng đầu

dò thẳng dạng khác như đầu dò 1.5-D bao gồm số phần tử theo chiều ngang nhiều hơn theo chiều dọc, 2-D bao gồm số phần tử theo chiều dọc và chiều ngang là tương đương nhau Để đáp ứng những ứng dụng quét tia theo những hình xuyến hoặc hình quạt, người ta còn sử dụng các đầu dò dạng lồi và lõm một hàng hoặc nhiều hàng Các đầu dò dạng xuyến cho phép tập trung hội tụ cao hơn, chúng được sử dụng nhiều trong đầu dò tập trung cường độ cao để ứng dụng trong các thao tác tán sỏi mật, thận hoặc gia nhiệt các khối u …

Hình 1 3: Các dạng đầu dò mảng pha

1.2.2 Hệ thống dãy tổ hợp pha là gì?

Đầu dò siêu âm thông thường bao gồm hoặc là một biến tử vừa tạo ra vừa thu sóng âm tần số cao, hoặc cặp hai biến tử, một cho phát và một cho thu Tuy nhiên, đầu dò dãy tổ hợp pha thường bao gồm từ 16 đến 256 biến tử nhỏ riêng biệt, mỗi biến tử có thể tạo xung riêng rẽ Chúng có thể được sắp đặt theo dãy, vòng tròn, hoặc có hình dạng phức tạp hơn Cũng như đối với đầu dò thông thường, các đầu dò dãy tổ hợp pha có thể được thiết kế cho sử dụng tiếp xúc trực tiếp, hoặc kết nối với phần nêm để tạo các đầu dò góc, hoặc sử dụng cho kỹ thuật nhúng với sóng âm truyền qua nước tới chi tiết kiểm tra Tần số đầu dò thường nằm trong giải từ 1MHz đến 10 MHz Hệ thống dãy tổ hợp pha cũng bao gồm thiết bị máy tính tinh vi có khả năng điều khiển đầu dò đa biến tử, thu nhận và số hóa xung quay trở lại và biểu

diễn thông tin của xung trên các khổ tiêu chuẩn khác nhau Không giống như các thiết bị siêu âm thông thường, hệ thống dãy tổ hợp pha có thể quét chùm tia dưới cả giải góc khúc xạ hoặc theo dọc theo đường thẳng, hoặc hội tụ ở những độ sâu khác nhau, do đó tăng tính linh hoạt và khả năng trong thiết lập kiểm tra

1.2.3 Hoạt động

Hệ thống dãy tổ hợp pha sử dụng nguyên tắc vật lý của sóng để tạo pha, thay đổi thời gian giữa các sê- ri xung siêu âm theo cách sao cho từng mặt sóng tạo bởi mỗi từng biến tử của dãy kết hợp với nhau để tăng thêm hoặc triệt tiêu năng lượng theo chiều có thể dự đoán để hướng và tạo hình dạng cho chùm tia một cách hiệu quả

Nó được thực hiện bởi dao động của các biến tử đầu dò ở những thời gian khác nhau chút ít Thường thường các biến tử sẽ bị dao động theo nhóm từ 16 đến

256 để tăng độ nhạy một cách hiệu quả bằng cách giảm độ mở chùm tia không mong muốn và có thể hội tụ sắc nét hơn Phần mềm sử dụng các định luật về hội tụ

để thiết lập thời gian trễ phát xung cho từng nhóm các biến tử nhằm tạo ra chùm tia

có hình dạng như mong muốn phù hợp với khả năng của đầu dò, đặc tính của phần nêm cũng như kích thước hình học và tính chất âm của vật liệu kiểm tra Chuỗi xung được lập trình chọn bởi phần mềm hoạt động của thiết bị sau đó từng sóng âm

đó được đưa vào vật liệu kiểm tra Những sóng âm đó sẽ kết hợp với nhau tăng thêm hoặc triệt tiêu để tạo thành một sóng đơn sơ cấp truyền qua vật liệu kiểm tra

và phản xạ lại từ các vết nứt, bất liên tục, mặt đáy và các mặt phân cách khác như sóng siêu âm thông thường Chùm tia có thể được hướng theo các góc, tiêu cự, kích thước tiêu điểm khác nhau theo cách mà một đầu dò đơn có khả năng kiểm tra vật liệu với các phối cảnh khác nhau Sự hướng chùm tia xảy ra rất nhanh nên quét với nhiều góc hoặc độ sâu hội tụ khác nhau có thể thực hiện trong một phần nhỏ của giây

Xung phản xạ lại được thu bởi các biến tử khác nhau hoặc nhóm các biến tử

và thời gian được thay đổi cần thiết cho sự thay đổi của phần trễ sau đó tổng hợp lại Không giống như đầu dò một biến tử siêu âm thông thường hợp nhất tất cả

thành phần chùm tia đập vào biến tử, đầu dò dãy tổ hợp pha có thể chọn những sóng

âm phản xạ về theo thời gian và biên độ tại mỗi biến tử Khi phần mềm của thiết bị

đã xử lý, thông tin sẽ được hiển thị trên bất kì dạng nào

Hình 1 4: Chùm tia được tạo ra bởi đầu dò phẳng bằng cách thay đổi thời gian trễ

Hình 1 5: Chùm tia hội tụ quét thẳng

1.2.4 Các chỉ tiêu trong thiết kế đầu dò

Tùy thuộc vào từng ứng dụng, thiết kế dầu dò nên đưa ra các tính toán theo các nguyên tắc sau:

- Thiết kế nhỏ gọn, chất lượng cao, chịu sốc tốt, bảo vệ tốt các phần tử trong đầu dò

- Khả năng lái chùm tia qua phạm vi quét thích hợp

- Khả năng lái chùm tia với góc từ 0 đến 700 đối với mảng phi tuyến trong mô hình sóng dọc và từ 280 đến 850

đối với sóng xén với chêm, hoặc một phạm vi quét thích hợp

- Băng thông cao

- Sự biến đổi độ nhạy thấp giữa các phần tử đầu dò

- Không thấm nước

- Chống bức xạ đối với các ứng dụng trong hạt nhân nguyên tử

1.2.5 Phân loại

Tổng quan về phân loại đầu dò siêu âm được chỉ ra trong bảng sau:

Loại đầu dò Kiểu lái

tia

Dạng chùm tia

Nhận xét

Mặt phẳng

tuyến tính

A,L,D Hình trụ Hoạt động mọi tần số

Hình tròn A,L,D Hình trụ, ellip Dùng cho dạng ống, hình trụ Hình khuyên D Hình cầu

Ma trận 2D A,L,D Hình Ellip Thuận lợi trong kiểm tra mối

hàn Rho-Theta A,D Hình cầu, ellip Các ứng dụng trong hàng

không, thiết kế, cài đặt phức tạp

A: góc phương vị, L: tuyến tính, D: độ sâu

Trong phần lớn các ứng dụng phát hiện khuyết tật và đo chiều dày, số liệu kiểm tra siêu âm sẽ dựa trên thông tin về thời gian và biên độ thu nhận được qua xử

lý sóng dạng RF Dạng sóng và thông tin từ chúng sẽ được hiển thị bằng một trong các dạng: A-scans, B-scans, C-scans Phần này sẽ giới thiệu các hình ảnh hiển thị ví

dụ của siêu âm thông thường và của hệ thống tổ hợp pha

1.3.1 Hiển thị dạng A-Scan

A-scan là thể hiện đơn giản của sóng RF biểu diễn thời gian và biên độ của tín hiệu siêu âm, như hiển thị trên các thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường hoặc các thiết bị đo chiều sâu có hiển thị dạng sóng Dạng sóng A-scan hiển thị phản xạ

từ một vị trí chùm tia trên chi tiết kiểm tra Thiết bị dò khuyết tật A-scan dưới đây hiển thị xung phản xạ từ hai lỗ khoan cạnh trên mẫu đối chứng bằng thép Cột sóng

âm từ của đầu dò tiếp xúc một biến tử đập vào hai trong ba lỗ và tạo ra hai xung

phản xạ khác biệt ở thời gian khác nhau tỉ lệ thuận với chiều sâu của các lỗ

Chùm tia được tạo ra Hình ảnh sóng thẳng A-scan Hình 1 6: Hình ảnh quét ở chế độ A-Scans (không có nêm)

Đầu dò góc một biến tử sử dụng với thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường sẽ tạo ra chùm tia theo một góc Khi chùm tia mở rộng nó sẽ làm cho đường kính chùm tia tăng lên theo khoảng cách, diện tích bao trùm hoặc trường nhìn của đầu dò góc thông thường vẫn sẽ hạn chế trong một góc Trong ví dụ dưới đây, nêm

45 độ tại một vị trí cố định có thể phát hiện hai lỗ khoan cạnh trong mẫu vì chúng nằm trong chùm tia, nhưng không thể phát hiện lỗ thứ ba nếu không dịch chuyển đầu dò lên phía trước

Chùm tia được tạo ra Hình ảnh A-scan của chùm tia góc Hình 1 7: Hình ảnh quét ở chế độ A-Scans ( có nêm)

Hệ thống tổ hợp pha sẽ hiển thị A-scan tương tự để đối chứng, tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp chúng còn được bổ sung thêm dạng B-scans, C-scans như dưới đây Các dạng hiển thị hình ảnh tiêu chuẩn trợ giúp cho người kiểm tra có thể hình dung hình dạng và vị trí của khuyết tật trong chi tiết kiểm tra

1.3.2 Hiển thị dạng B-Scan

B-Scan thường được sử dụng với các thiết bị dò khuyết tật thông thường để hiển thị độ sâu của phản xạ tương ứng với vị trí theo chiều dọc của nó.Trong trường hợp dưới đây B-scan hiển thị hai mặt phản xạ sâu và một mặt phản xạ nông hơn tương ứng với vị trí các lỗ khoan trong chi tiết

Chùm tia được tạo ra Hình ảnh đặc trưng B-scan hiển thị

chiều sâu tương đối của lỗ Hình 1 8: Hình ảnh quét ở chế độ B-Scans

Với thiết bị siêu âm thông thường, đầu dò phải di chuyển dọc theo chi tiết Hệ thống tổ hợp pha có thể sử dụng quét điện tử dọc theo chiều dài của đầu dò thẳng tạo ra mặt cắt đứng tương tự mà không cần dịch chuyển đầu dò

Hình 1 9: Hình ảnh quét thẳng điện tử B-scan hiển thị vị trí và độ sâu tương đối

của lỗ theo chiều dài dãy

1.3.3 Hiển thị dạng C-Scan

C-scan là hình ảnh hai chiều biểu diễn hình chiếu từ trên xuống chi tiết kiểm tra, tương tự như hình ảnh chụp X-quang, trong đó màu sắc đặc trưng cho biên độ ở mỗi điểm trong chi tiết được vẽ trên hệ toạ độ x-y Với thiết bị thông thường, đầu

dò một biến tử phải dịch chuyển theo trường quét x-y trên khắp bề mặt chi tiết Còn với hệ thống dãy tổ hợp pha, đầu dò chỉ dịch chuyển theo một trục trong khi chùm tia quét điện tử quét theo trục còn lại

Những hình ảnh C-scans của mẫu đối chứng với hệ thống quét nhúng thông thường với đầu dò nhúng hội tụ, và với hệ thống dãy tổ hợp pha sử dụng bộ mã hoá kích thước quét tay và đầu dò dãy thẳng Trong khi độ phân giải không hoàn toàn tương đương bởi vì kích thước chùm tia lớn hơn, và còn nhiều vấn đề cần xem xét Các hệ thống mảng pha có thể di động trong khi các hệ thống thông thường thì không Thêm vào đó hình ảnh của tổ hợp pha chỉ hoàn thành trong vài giây, khi mà quét nhúng thông thường cần tới vài phút

Chất lượng của hình ảnh siêu âm có thể được coi là chỉ tiêu kỹ thuật cao nhất trong thiết kế đầu dò siêu âm, nó được quyết định bởi nhiều yếu tố Hiểu được tính chất của các yếu tố đó sẽ giúp chúng ta có các bước điều chỉnh các thông số khác để ảnh hưởng tổng quát của nó có lợi cho ta Trong phần này chúng ta tiến hành thảo luận ảnh hưởng của tia siêu âm hội tụ và các yếu tố khác đến chất lượng hình ảnh

Một trong các thông số quan trọng của hình ảnh siêu âm đó chính là độ phân giải Độ phân giải của hệ thống được định nghĩa là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm ảnh mà mắt người còn phân biệt được Như vậy có thể nói độ phân giải càng cao khả năng quan sát chi tiết các cấu trúc càng rõ nét, chính vì thế độ phân giải là một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng máy siêu âm Người ta phân biệt

độ phân giải ra làm 3 loại: Độ phân giải theo chiều dọc là khả năng phân biệt 2 vật theo chiều của chùm tia ( theo chiều trên-dưới của màn hình ) Độ phân giải ngang

là khả năng phân biệt theo chiều ngang( chiều phải-trái của màn hình ) Độ phân theo chiều dày ( chiều vuông góc với mặt phẳng cắt, vì thực tế mặt cắt siêu âm không phải là một mặt phẳng, mà có độ dày nhất định ) Độ phân giải phụ thuộc rất nhiều vào tần số của đầu dò, vị trí của cấu trúc đang nghiên cứu thuộc trường gần hay xa của đầu dò Mặt khác điều này không hoàn toàn do đầu dò quyết định mà còn phụ thuộc vào xử lý của máy Để đo độ phân giải của ảnh người ta dùng đại lượng ,

rộng của phần tử phát tia cũng bị giới hạn, nhìn chung theo nguyên tắc e <0.67 để

tránh búp sóng phụ, vì vậy e thiết kế bị giới hạn

(1.2)2

design

e 

Ta biết, sóng siêu âm cũng như các loại sóng khác khi truyền trong môi trường thì chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau, mỗi môi trường truyền sóng lại có một đặc điểm khác nhau nên tốc độ lan truyền sóng trong từng môi trường là khác nhau Chính vì vậy trước khi thiết kế đầu dò chúng ta phải xác nhiệm vụ của đầu dò, cần phải xác định chúng hoạt động trong môi trường nào Chính vì vậy, môi trường hoạt động cũng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh Ngoài ra, ta có công thức tính bước sóng của sóng như sau:

(1.3)

v f



Mà theo công thức (1.1) thì độ phân giải lại phụ thuộc vào bước sóng của sóng, mà bước sóng  lại phụ thuộc vào v,f theo như công thức (1.3) Vì vậy muốn

theo đổi độ phân giải thì chúng ta cần điều chỉnh tần số của sóng Tuy nhiên, như giải thích ở phần đầu khi tần số càng cao thì độ phân dải càng cao nhưng suy hao cũng lớn do đó không thể quét được các trường ở xa

Hình 1 11: Tốc độ lan truyền sóng trong từng môi trường

Các đầu dò siêu âm mảng pha trên thực tế được thiết kế rất nhỏ để có thể được coi là một điểm phát sóng âm Tuy nhiên, trên thực tế, cấu trúc vật lý của tinh thế áp điện cũng như điều kiện hoạt động của nó không cho phép có thể thiết kế các phần

tử của đầu dò mảng pha như các điểm phát sóng Trái lại những phần tử áp điện của đầu dò siêu âm mảng pha được thiết kế là những đầu dò nhỏ độc lập có dạng mặt phẳng

Hình 1 122: Phân bố áp suất âm của một phần tử đầu dò mảng pha với phần tử áp

điện 0,6mm

Theo lý thuyết, phân bố áp suất âm của một đầu dò siêu âm bất kỳ luôn được chia làm 2 phần, phần trường gần (near field) và trường xa (far field) mà khoảng cách của nó được định nghĩa là khu vực mà sự lan truyền của các điểm phát sóng

âm chưa thực hiện giao thoa hoàn toàn Khoảng cách này phụ thuộc vào bước sóng của sóng âm và thiết diện mặt phát sóng của phần tử áp điện Chiều dài của trường gần được tính bằng công thức:

2

(1.4)

r N



Trong đó r là bán kính của phần tử áp điện Thông thường các phần tử áp điện của đầu dò siêu âm mảng pha được chế tạo có kích cỡ khoảng vài trăm micromet đến vài millimet Như vậy trường gần ở trong trường hợp này là khá nhỏ Những bộ phận cần thăm khám nằm trong trường gần cho hình ảnh trung thực và rõ nét hơn Về mặt kỹ thuật muốn tăng độ dài của trường gần ta có thể tăng bán kính của tinh thể trong đầu dò, hoặc tăng tần số phát để giảm bước sóng, tuy nhiên điều này bị giới hạn bởi các yếu tố khác, vì tăng r là tăng kích thước đầu dò, còn tăng tần

số sẽ làm giảm độ sâu cần thăm dò, nên người ta hay sử dụng một thấu kính để hội

tụ chùm tia siêu âm để giảm độ loe của trường xa Ngoài yêu cầu về trường gần nhỏ, là nơi mà phân bố áp suất âm không ổn định, các phần tử áp điện của đầu dò siêu âm mảng pha cũng cần phải đạt được công suất sóng âm nhất định tương

đương với độ nhạy cho phép đo sóng phản xạ của các phần tử ấp điện, nên mỗi phần tử áp điện của đầu dò siêu âm hội tụ thường có áp suất khoảng 2Pa

Thiết diện phát sóng âm lớn mang lại sự định hướng tốt hơn tuy nhiên tương đương với trường gần tăng và giới hạn quan sát ảnh siêu âm bị thu hẹp Thêm vào

đó kích cỡ của đầu dò siêu âm mảng pha sẽ bị tăng lên đáng kể Hơn nữa, trong

phương pháp tạo ảnh siêu âm nhất là ở chế độ A-Mode hoặc B-Mode, trục điểm ảnh

đã được định nghĩa là trục tâm của các phần tử áp điện chứ không phải toàn bộ miền ảnh hưởng của sóng âm lan tới và phản xạ Do đó, với phần tử áp điện có kích thước quá nhỏ như hình (1.13) sẽ không thuận lợi trong việc áp dụng cho trường hợp tạo ảnh siêu âm Nói một cách khác, trong kỹ thuật tạo ảnh siêu âm, tia siêu âm cần được định hướng tốt với kích cỡ của các phần tử áp điện đơn vị là không quá

lớn

Để giải quyết vấn đề định hướng với những yêu cầu nhỏ gọn về kích cỡ đảm bảo thuận tiện trong quá trình sử dụng mà số lượng phần tử áp điện của đầu dò mảng pha lớn để tăng cường độ phân giải của ảnh siêu âm, phương pháp điều khiển hội tụ tia siêu âm sẽ là giải pháp Tuy nhiên, khác với tia siêu âm đầu dò phẳng, tia siêu âm hội tụ có giá trị áp suất rất phân biệt tại vùng hội tụ thường được tính là đường đồng mức tại -6 db Thông thường vùng hội tụ được định đạng là vùng ellip

có các tham số như sau :

- Đường kính ngang:D0, 2568.D F s s với Ds là thiết diện mặt phát sóng và Fs

là tiêu cự của tia siêu âm

 , trong đó N là khoảng cách trường gần

Sự phân biệt hội tụ này rất có lợi cho quét ảnh siêu âm khi quét theo điểm bởi sự phân biệt áp suất âm ở vùng hội tụ cho độ tương phản cao do đó tăng độ tương phản của ảnh siêu âm Tuy nhiên, phương pháp này phải trả giá bằng tốc độ quét chậm bởi phải quét theo điểm Nhưng nếu quét theo tia như trong trường hợp B-Mode, thì chỉ có vùng hội tụ là có độ tương phản cao nhất còn các vùng khác sẽ

có độ tương phản thấp Nếu như kéo dài đường kính dọc của tia hội tụ bằng cách

tăng tiêu cự và giảm thiết diện mặt phát sóng nghĩa là giảm số lượng phần tử tham gia phát thì có thể thực hiện biện pháp quét ở B-Mode cho tia siêu âm Giải pháp

này đã được sử dụng phổ biến trong các máy siêu âm hiện đại

Trong trường hợp C-Mode là trường hợp quét theo mặt vuông góc với tia siêu âm theo điểm, những tia siêu âm hội tụ cao tỏ ra ưu việt Đây cũng là giải pháp

mà các máy siêu âm 3D và 4D sử dụng Tuy nhiên, do đòi hỏi thời gian quét, sự sai lệch về dữ liệu của thời điểm quan sát gây ra sai lệch khi tái tạo ảnh siêu âm Vấn

đề này cho đến nay vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu để nâng cấp chất lượng ảnh Hơn nữa việc quét điểm dạng C-Mode đòi hỏi kèm theo điều khiển lái tia hoặc đầu

dò mảng pha dạng ma trận 2D

- Cấu hình đơn giản, cho ra kết quả ngay tức thì và hình ảnh được trình bày rõ ràng và trực quan

- Rất nhạy với các khuyết tật có thể được duy trì xuyên suốt theo độ sâu của vật cần kiểm tra bằng cách sử dụng hội tụ động với cách tính hội tụ áp dụng cho nhiều độ sâu khác nhau trong một lần kiểm tra

- Sự định vị chính xác vốn có của các phần tử trong mảng có thể cho phép sai

số vị trí tốt hơn nếu phương pháp “rơi dB” có thể được dùng mà không cần di chuyển mảng pha

- Tốc độ quét nhanh hơn các đầu dò thông thường

- Tính linh hoạt trong cấu hình thiết bị có nghĩa là nó có thể được tối ưu cho

sự kiểm tra cụ thể của người dùng tại một thời điểm sử dụng, không phải được cấu hình từ nhà sản xuất như các đầu dò thông thường

- Nó có thể hoàn thành một kiểm tra phức tạp từ một mảng pha được cấu hình theo nhiều cách khác nhau

- Một hệ thống mảng pha thường cho phép đơn giản hóa các cơ chế quét, thay thế các chuyển động vật lý với điều khiển điện tử, tăng cường độ tin cậy cho hệ thống

Nhƣợc điểm

Mặc dù hệ thống mảng pha có rất nhiều thuận lợi thì bên cạnh đó cũng có một

số nhược điểm, các nhược điểm cơ bản đó sẽ được khắc phục bởi công nghệ và kỹ năng:

- Tính phức tạp của hệ thống mảng pha dẫn đến chi phí chắc chắn cao hơn các đầu dò thông thường Nhưng bù lại là tính linh hoạt trong việc thay thế các modul của thiết bị, nhưng nhìn chung hệ thống mảng pha vẫn có phi phí cao hơn

- Đi đôi với sự phức tạp cũng đồng nghĩa với độ tin cậy có thể giảm Trong mối quan hệ này, điều này vẫn chưa được công nhận và thường xuyên kiểm tra tất

cả các phần tử của mảng hoạt động

- Muốn khai thác hết lợi thế của hệ thống mảng pha đòi hỏi có khả năng cài đặt một hệ thống phức tạp và cẩn thận trong việc lựa chọn nhiều tùy chọn cấu hình khác nhau Điều này yêu cầu kĩ năng của người sử dụng

- Các chùm tia được tạo ra từ hệ thống mảng pha hầu như phức tạp hơn đầu dò thông thường tương đương

- Đầu dò mảng pha hầu như lớn hơn đầu dò thông thường, dẫn đến khó khăn trong việc khớp nối sóng âm trên bề mặt cứng

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TRỄ HỘI TỤ

Đối với đầu dò siêu âm mảng pha, việc tính toán trễ hội tụ gần như quyết định hoàn toàn việc thiết kế đầu dò siêu âm Từ việc lựa chọn phương pháp hội tụ tia siêu âm đến việc tính toán trễ pha Từ việc tính toán đó cùng với giới hạn thực tế của các thiết bị điện tử, ta tạo ra một đầu dò thực tế với các thông số như khoảng cách giữa các phần tử trong đầu dò, độ rộng của đầu dò, số phần tử trong đầu dò Trong chương này, ta tiến hành tính toán hội tụ cho đầu dò siêu âm mảng pha, bước cốt lõi trong việc tính toán mô phỏng cũng như thiết kế một đầu dò hoàn chỉnh

2.1.1 Phương pháp hội tụ tia siêu âm sử dụng “thấu kính âm”

Đây là phương pháp xuất phát từ ý tưởng gợi ý từ thấu kính quang học vốn được sử dụng để hội tụ các chùm sáng song song do đó nó có tên là “thấu kính” mặc dù sóng âm là sóng cơ và gặp sự phản xạ rất mạnh từ vật liệu thủy tinh Khái niệm thấu kính chỉ mang ý nghĩa về mặt hình tượng là một đối tượng mà sóng âm khi đi qua đó sẽ cho phép hội tụ vào một điểm Để làm được điều này các thấu kính hội tụ thường được thiết kế gồm những lỗ hoặc khe hở nhỏ cho sóng âm truyền qua

và các đường bao của các lỗ này được thiết kế sao cho hướng sóng âm tới về một tiêu điểm Một trong những thấu kính âm tiêu biểu thường gặp trong đời sống hàng ngày đó là nắp đậy phía trên micro âm thanh để tăng cường khuyếch đại âm thanh

Hình 2 1: Một mặt thấu kính âm tiêu biểu

2.1.2 Phương pháp hội tụ bằng cách tạo các bề mặt bậc 2

Các mặt bậc 2 có một thuộc tính chung, đó là luôn tồn tại một điểm trong không gian mà khoảng cách từ điểm đó đến bề mặt đó luôn có giá trị không đổi Tuy nhiên, các mặt cong họ parabol, elliptic, và hyperbol thường ít được sử dụng trong thiết các đầu dò siêu âm bởi vì tiêu cự của nó thường quá ngắn so với đường kính của nguồn phát sóng và đầu dò, điều này hạn chế nhiều trong việc triển khai những ứng dụng từ đầu dò siêu âm hội tụ trên thực tế Ngược lại đối với chức năng

để khuyếch đại tín hiệu từ thu sóng thì những mặt cong này lại phát huy khả năng của nó nhờ mặt anten rộng với khoảng cách đặt bộ thu sóng ngắn Trên thực tế những đầu dò siêu âm dạng lõm rất phổ biến trong những ứng dụng y tế cũng như công nghiệp Hầu hết chúng đều được thiết kế dựa trên mặt cầu lõm

Hình 2 2: Một đầu dò siêu âm mặt cầu lõm tiêu biểu

2.1.3 Phương pháp hội tụ sử dụng trễ pha

Xét một điểm bất kỳ trong không gian là khác nhau bởi sự sắp xếp các phần tử nguồn điểm phát sóng âm không tuân theo quy luật phân bố đều theo khoảng cách, thì sự bù đắp sự khác biệt đó có thể sử dụng thông qua góc pha ban đầu Như vậy, bằng cách bổ sung giá trị của góc pha ban đầu thì sự khác nhau của của các khoảng cách từ nguồn phát sóng đến điểm hội tụ sẽ được cân bằng Như vậy, về mặt hiệu ứng vật lý, phương pháp này tương đương như 2 phương pháp trước với sự điều khiển pha bù trễ do khác biệt về khoảng cách gây ra Kỹ thuật này, lần đầu tiên được ứng dụng trong thiết kế anten cho thu phát sóng điện từ được đặt tên là mảng

pha (phased-array) Phỏng theo ý tưởng này, các nhà sản xuất đầu dò siêu âm cũng

đề xuất phương án hội tụ sóng âm nhờ kỹ thuật mảng pha Cũng giống như kỹ thuật anten trong sóng vô tuyến, các đầu dò mảng pha cũng được chia ra thành các cách

tử được bố trí theo một định dạng hình học nhất định và các cách tử đó được điều khiển pha ban đầu để bù lại sự khác biệt về khoảng cách do cấu trúc hình học đó gây ra Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh không những cả tiêu cự mà còn cả hướng của tia sóng âm một cách hoàn toàn bằng kỹ thuật điện tử

Hình 2 3: Nguyên lý lái tia siêu âm và hội tụ sóng âm bằng kỹ thuật mảng pha

Như đã thảo luận trong mục 2.1, tia siêu âm có thể được hội tụ theo 3 cách: thấu kính âm, mặt bậc hai lõm và đầu dò mảng pha Bởi vì sự giới hạn của hai phương pháp trên như đã phân tích, phương pháp hội tụ tia siêu âm sử dụng đầu dò mảng pha cho thấy sự hiệu quả trong sự linh hoạt cho các ứng dụng, cải thiện tốc độ quét trong ứng dụng tái tạo ảnh siêu âm Do đó, đề tài này tập trung giải quyết vấn

đề điều khiển hội tụ tia siêu âm bằng kỹ thuật mảng pha

Hình thái của chùm tia siêu âm phát ra từ đầu dò mảng pha chủ yếu phụ thuộc vào góc pha của xung hoặc sóng kích thích Các xung và sóng kích thích cho các đầu dò phát tia siêu âm là những sóng điện từ Mà đối với sóng điện từ thì góc

pha đại diện cho thời gian kích thích ban đầu hay nói rõ hơn đó là thời điểm kích thích Như vậy, để hội tụ được chùm tia siêu âm các góc pha ban đầu sẽ được điều chỉnh sao cho phù hợp với thông số của các đầu dò siêu âm, đặc biệt là vùng phát tia được tính bằng độ dài bao gồm số phần tử và khoảng cách giữa các phần tử của đầu dò

Hình 2 4: Giá trị trễ pha đặt vào từng phần tử trong đầu dò siêu âm

Mặt khác, tốc độ lan truyền sóng âm trong từng môi trường cũng rất khác nhau, mà vị trí hội tụ lại phụ thuộc vào thời gian lan truyền sóng tới sau khi bị kích thích Như vậy, các thông số trễ pha đặt vào từng phần tử trong đầu dò siêu âm còn phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng âm của môi chất Nếu môi chất có vận tốc truyền sóng nhỏ, sự khác biệt của góc pha là càng lớn và tốc độ truyền sóng lớn thì sự khác biệt giữa các góc pha là càng nhỏ

Hình 2 5: Mô hình của điều khiển hội tụ tia siêu âm

Hình 2.5 mô tả nguyên lý điều khiển hội tụ tia siêu âm, các góc pha kích thích ban đầu được tính toán theo luật hội tụ mà dựa trên tốc độ truyền sóng trong môi chất, khoảng cách giữa các phần tử trong đầu dò, và khoảng cách giữa điểm hội

tụ và đầu dò Từ đó, các khoảng trễ pha sẽ được điều khiển qua bộ trễ để đảm bảo đúng thông số theo như đã tính toán Có nhiều cách để thực hiện điều này như thông qua bộ lọc, trễ đường dây, hoặc trễ pha theo xung nhịp số Tùy thuộc vào yêu cầu

kỹ thuật của từng trường hợp cụ thể mà có thể sử dụng những cách thức phù hợp

Có 2 cách tiếp cận chính trong phần này, đó là phương pháp tính toán trực tiếp bằng hình học lượng giác và phương pháp tính gián tiếp thông qua việc coi sự chênh lệch của những phần tử phát tia nằm trên mặt đầu dò và một mặt cầu có điểm hội tụ tương tự là khoảng cách cần tính từ đó suy ra độ trễ pha Cả hai phương pháp đều có thể cho cũng kết quả như nhau Đối với các mặt cầu dạng ellipse, hyperbol hay parabol thì sẽ bỏ qua vì nó đòi hỏi khoảng cách phát tia quá rộng trong khi điểm hội tụ quá gần so với mặt của đầu dò

2.3.1 Phương pháp tính trực tiếp bằng hình học

Phương pháp tính toán trễ pha trực tiếp bằng hình học tiếp cận theo hướng dựa trên giả thiết rằng với một bộ thông số là thông số thiết kế của đầu dò siêu âm mảng

khoảng cách nào đó Tùy theo các vị trí không gian của các phần tử của đầu dò và

vị trí hội tụ của chùm tia siêu âm mà sự khác biệt của khoảng cách từ các phần tử của đầu dò đến vị trí hội tụ sẽ được tính toán và từ đó sẽ cho công thức tính độ trễ pha được áp dụng cho từng phần tử cụ thể

Hình 2 6: Minh họa phương pháp tính trễ pha trực tiếp bằng hình học

Giả sử rằng tia siêu âm hội tụ sẽ hội tụ tại điểm F từ một nhóm bao gồm phần tử thuộc đầu dò siêu âm mảng pha Vớiplà khoảng cách giữa các phần tử được tính từ tâm các phần tử, như vậy, độ rộng của chùm phát tia sẽ là d  (n 1)p Tiêu cự của tia siêu âm hội tụ sẽ được xem là khoảng cách ngắn nhất từ tiêu điểm

F đến đầu dò siêu âm Như vậy trục chứa đoạn thẳng tiêu cự Fsẽ tạo ra với đầu dò siêu âm mảng pha một góc vuông Khoảng cách l i từ tâm các phần tử đến điểm hội

tụ F sẽ được biểu diễn như sau :

2 2

l t c

Bởi vì l i là một vector do đó t icũng sẽ là một vector cùng kích cỡ Để xác định độ lệch pha đặt vào từng phần tử thuộc vùng phát tia đó thì sẽ chênh lệch về

thời gian truyền sóng t i sẽ được coi là bước trung gian Như vậy ta sẽ có vector lệch thời gian là

Với Tlà chu kỳ dao động của sóng âm Công thức (2.4) có thể được dùng để

áp đặt góc pha ban đầu cho những kích thích là sóng sin Nếu trong trường hợp kích thích là các chuỗi xung thì có thể áp dụng ngay công thức (2.3)

2.3.2 Phương pháp tính gián tiếp qua mặt cầu tương đương

Một phương pháp thứ hai có thể được xem xét là sai lệch thời gian truyền sóng

từ những phần tử thuộc mảng pha và những phần tử tương đương nằm trên một mặt cầu tới điểm hội tụ Fcủa tia siêu âm Như vậy từ khoảng cách sai lệch này, độ lệch pha sẽ được tính toán Sự mô tả phương pháp tính bằng hình học được minh họa ở hình 2.7

Hình 2 7: Minh họa phương pháp tính trễ pha bằng xấp xỉ mặt bậc 2

Các mặt bậc hai luôn tồn tại một điểm trong không gian mà khoảng cách từ điểm đó đến tất cả các điểm thuộc mặt bậc hai luôn bằng nhau Như vậy về mặt ý nghĩa vật lý, tại các điểm đó thời gian truyền sóng đến là như nhau Nếu tất cả các điểm trên mặt bậc 2 đều được kích hoạt đồng thời, nghĩa là cùng góc pha thì tại điểm đó sẽ xuất hiện sự hội tụ Các mặt ellipse, parabol, hyperbol và cầu đều có khả

năng hội tụ tuy nhiên, mặt cầu là đối tượng ưa được sử dụng vì nó cho cách tính

đơn giản và sự cân bằng trong khoảng cách hội tụ f và độ rộng của d chùm phát tia

Trên thực tế, các đầu dò tia siêu âm hội tụ có tiêu cự cố định cũng thường xuyên sử dụng mặt cầu lõm

Giả thiết rằng tồn tại một mặt cầu lõm ảo có chứa những phần tử phát tia siêu

âm nằm trên cùng một góc với các phần tử của đầu dò siêu âm mảng pha nhìn từ điểm hội tụF Các phần tử phát tia thuộc mặt cầu lõm do khoảng cách đến điểm hội tụ là bằng nhau nên có góc pha ban đầu bằng nhau và để đơn giản thì góc pha này sẽ bằng 0 Như vậy, khoảng cách chênh lệch, vector l i giữa điểm tương đương trên mặt cầu lõm và tâm điểm của phần tử phát sóng âm thuộc đầu dò siêu âm mảng pha sẽ chính là yếu tố được dùng để tính toán độ lệch vector thời giant i

(2.5)

i i

l t c



 

Vì khoảng cách giữa các điểm trên mặt cầu lõm tới điểm hội tụF là không

đổi và cũng chính là bán kính r của mặt cầu lõm đó, do đó, f = r, như vậy khoảng

2

(2.7)

i i

d

l f t

Lựa chọn gốc tọa độ trong tính toán nhằm xác định được pha kích thích ban đầu áp dụng cho các phần tử Đối với siêu âm mảng pha có hai trường hợp là điểm hội tụ nằm trên đường thẳng vuông góc với phần tử trung tâm và trường hợp thứ hai

là điểm hội tụ nằm tại một điểm bất kỳ khác với trường hợp một Mỗi trường hợp ta lại áp dụng công thức tính toán trễ pha khác nhau Phần tử được kích thích ban đầu cũng khác nhau Tuy nhiên trong nội dung của đề tài này chỉ chú ý đến trường hợp tia hội tụ vuông góc, trường hợp tia hội tụ lệch góc cũng được tính toán tương tự

2.4.1 Tia hội tụ vuông góc

Tia hội tụ siêu âm vuông góc được định nghĩa là điểm hội tụ được đặt ở trên đường tâm của độ rộng nhóm phần tử phát tia Đây là phương pháp phổ biến vì nó

dễ tính toán và tuân theo công thức 2.7 hoặc 2.3 Những tia siêu âm hội tụ vuông góc bảo đảm sự đối xứng về pha đối với các phần tử phát tia Sự đối xứng này hạn chế các búp sóng phụ và do đó giảm thiểu nhiễu và sai lệch do phản xạ từ các búp sóng này gây ra trong quá trình đo tín hiệu siêu âm phản xạ gây sai lệch trong quá trình tái tạo ảnh

Căn cứ vào công thức tính toán độ rộng d như đã thảo luận trong mục 2.3.1,

nếu độ rộng chùm phát tia bao gồm nhóm lẻ các phần tử thì đường tâm của độ rộng chùm phát tia sẽ trùng với tâm của một phần tử của nhóm phần tử phát tia Do đó góc pha đặt vào phần tử đó sẽ là 0 trong khi các phần tử khác sẽ đối xứng và tuân theo công thức 2.3 Nếu độ rộng chùm phát tia bao gồm nhóm chẵn các phần tử, thì đường tâm của độ rộng chùm phát tia sẽ rơi vào tâm khoảng cách giữa các phần tử

hay ở một điểm có giá trị là

2

p

Như vậy 2 phần tử liên tiếp gần tâm nhất sẽ được áp giá trị pha bằng 0 trong khi các giá trị pha đặt vào phần tử khác sẽ đối xứng qua trục tâm và cũng tuân theo công thức 2.3

Ngoài 2 khía cạnh trên, khi thực hiện quét tia siêu âm hội tụ để tạo ảnh siêu

âm, tia hội tụ vuông góc sẽ được dịch chuyển lần lượt theo sự tịnh tiến thứ tự các phần tử phát tia thuộc đầu dò siêu âm mảng pha Như vậy, nếu một đầu dò siêu âm

mảng pha có N phần tử và n phần tử được chọn làm nhóm phát tia siêu âm hội tụ thì

số bước quét được sẽ là N-n Nếu tính theo giới hạn hình học không gian thì chiều dài có thể quét sẽ là (N-n)p Do đó tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể mà thông số kỹ

thuật của đầu dò siêu âm hội tụ cần phải được tính toán, lựa chọn sao cho phù hợp