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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG 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

NGƢỜI HƢỚNG 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

1

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
CHƢƠNG 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.
âm

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

TỔNG KẾT CHƢƠNG I ........................................................................................29

CHƢƠNG 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


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 CHƢƠNG II ......................................................................................43
CHƢƠNG 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 CHƢƠNG III: ...................................................................................56
CHƢƠNG 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

4.3.3.

Giải pháp kỹ thuật .................................................................................67
3


TỔNG KẾT CHƢƠNG IV: ...................................................................................69
CHƢƠNG V: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG ........................70
Khối điều khiển ...........................................................................................70

5.1.

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 CHƢƠNG V: .....................................................................................80
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................81

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

2-D

2- Direction

2- Chiều

ADLL

All Digital Phase Locked Loop

Vòng khóa pha số toàn bộ

ASIC

Application-Specific

Mạch tích hợp các ứng dụng

Integrated Circuit

riêng biệt

Complex Programmable

Linh kiện logic lập trình được

Logic Device

phức tạp

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

CPLD

trường
GAL

Generic Array Logic

Mảng logic chung

HDL

Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng

HF

High Frequency

Tần số cao

IC

Intergrated Circuit

Mạch tích hợp

I/O

IN/OUT

Ngõ vào/ Ngõ ra

LPF

Low Pass Filter

Mạch lọc thông thấp

LPLL

Linear Phase Locked Loop

Vòng khóa pha phi tuyến

LUT

Look Up Table

Bảng tìm kiếm

MAC

Multication and Accumulation

Bộ nhân cộng

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

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

PLL

Phase Locked Loop

Vòng khóa pha

PROM

Programable Read Only

Bộ nhớ chỉ đọc lập trình được

Memory

5


RAM

Random Acess Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

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

VHSIC Hardware Description

Ngôn ngữ mô tả phần cứng mạch

Language

tích hợp tốc độ cao

Very High Speed Intergrated

Mạch tích hợp tốc độ cao

VHSIC

Circuit

6


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

7


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

8


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

9


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 BMode 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

10


- 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. Phƣơng 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.

11


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.

12


CHƢƠNG 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.

1.1.

Công nghệ mảng pha.
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.

13


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.

14


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.

Đầu dò mảng pha
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

15


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

16


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

17

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

18


- 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
Mặt phẳng

Kiểu lái

Dạng chùm

tia

tia

Nhận xét

A,L,D

Hình trụ

Hoạt động mọi tần số

A,L,D

Hình trụ, ellip

Dùng cho dạng ống, hình trụ

tuyến tính
Hình tròn
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
1.3.

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

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.

19


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.

20

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.

Hình ảnh đặc trưng B-scan hiển thị

Chùm tia được tạo ra

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.

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
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.

22


Hình 1. 10: Hình ảnh quét ở chế độ C-Scans
1.4. Vai trò của tia siêu âm hội tụ và ảnh hƣởng của nó tới chất lƣợng ảnh siêu
âm
Siêu âm dùng tần số sóng âm thanh cao từ 1-5MHz để quan sát gân, cơ bắp, các bộ
phận bên trong cơ thể về kích thước, cấu trúc, các tổn thương. Các sóng siêu âm

được phát ra bởi đầu dò điện áp dùng để chuyển điện áp từ 1-10MHz thành các
sóng âm. Các sóng âm lan truyền trong cơ thể sau đó chúng phản xạ lại trên vùng
ranh giới giữa các mô. Các sóng sau khi phản xạ lại sẽ được thu bởi một đầu dò
chuyển chúng trở lại tín hiệu điện RF. Biên độ của các sóng âm thanh này sẽ bị suy
hao khi chúng truyền tới các mô. Do đó các tín hiệu quay trở lại sẽ được khuếch đại
theo tỉ lệ để lấy khoảng cách mà nó đã đi được. Sóng âm thanh có tần số càng cao
thì suy hao càng lớn. Ví dụ những tần số cao hơn 50MHz chỉ có thể đi sâu khoảng
1cm nhưng có thuận lợi là độ phân giải cao. Thông thường độ sâu đi được của hệ
thống siêu âm là từ 10- 33cm.
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.

23


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  ,
 



(1.1)

e

Trong đó  là bước sóng, e là đường kính của phần tử phát tia. Ngoài ra độ
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
edesign 



(1.2)

2

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:


v
f

(1.3)

24