【作者】謝錫城，徐百坤，陳德偉

深圳市理邦精密儀器有限公司，廣東，深圳，518067

超聲多普勒胎兒監(jiān)護(hù)因為無創(chuàng)、快捷等原因，在胎兒監(jiān)護(hù)領(lǐng)域是一種普遍采用的方法[2]。而超聲探頭是獲取胎兒心跳信息的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響監(jiān)護(hù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。超聲探頭的結(jié)構(gòu)則是影響其性能的重要因素。

本文通過建模仿真得到一種8晶片探頭和12晶片探頭的聲場分布圖，并據(jù)此對二者的聲場性能進(jìn)行對比分析，最后通過實驗驗證了仿真分析的正確性。

1 超聲探頭相關(guān)參數(shù)

1.1 探測的深度范圍

臨床研究表明，胎心距離超聲探頭的正常范圍約為6～15 cm[4]，如圖1所示。

圖1 超聲探頭胎心監(jiān)護(hù)模型Fig.1 The model of fetal monitoring of ultrasonic transducer

超聲多普勒胎兒監(jiān)護(hù)設(shè)備所能探測的深度范圍，由主機(jī)和超聲探頭共同決定。主機(jī)控制探測信號的收發(fā)時序，決定了理論上的探測范圍。為了保證監(jiān)護(hù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求超聲探頭的輻射聲場在胎心的深度范圍內(nèi)具備良好的穿透力、較大的覆蓋面積和較為均勻的聲場分布。如此，胎兒的心臟將處于一個均勻廣大的聲場空間中，監(jiān)護(hù)結(jié)果準(zhǔn)確可信，并且不會因意外的運動而導(dǎo)致胎心信號丟失。

1.2 胎兒監(jiān)護(hù)中的超聲衰減特征

胎兒監(jiān)護(hù)中超聲波的傳播媒質(zhì)是母體生物組織、羊水和胎兒生物組織。當(dāng)超聲波在生物組織中傳播時，一部分聲能由于媒質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)和多種復(fù)雜的弛豫過程，被轉(zhuǎn)換成了媒質(zhì)的熱能而耗散掉；另一部分聲能則由于生物媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性而被散射到其他方向。這兩類原因?qū)е铝颂綔y聲能的衰減。

其中：α — 衰減系數(shù)，單位為Np/m (奈貝/米)；x1，x2— 超聲波傳播方向上的坐標(biāo)；ξ (x1), ξ (x2) —兩個坐標(biāo)點上的振幅。

大量研究工作和實測數(shù)據(jù)表明，在生物組織中的聲衰減系數(shù)遠(yuǎn)大于一般的均勻液體中。而且在1 MHz—7 MHz頻率范圍內(nèi)，衰減系數(shù)與頻率基本成線性關(guān)系，即頻率越高衰減越大。假設(shè)按照0.5 cm皮組織層、1.5 cm脂肪層、1 cm子宮壁和14 cm羊水層的數(shù)值關(guān)系，建立簡單模型，根據(jù)衰減系數(shù)[1]的定義可知振幅衰減函數(shù)表示為：A(α,x,f )=e-a.x.f

其中：皮組織的聲衰減系數(shù)取0.23 Np.(cm.MHz)-1；脂肪層的聲衰減系數(shù)取0.06 Np.(cm.MHz)-1；子宮壁的聲衰減系數(shù)取0.12 Np.(cm.MHz)-1；羊水層的聲衰減系數(shù)取0.0012 Np.(cm.MHz)-1。

2 探頭聲場的建模分析

2.1 單晶片聲場建模分析

目前超聲多普勒胎兒監(jiān)護(hù)超聲探頭多采用多晶片的陣列結(jié)構(gòu)，晶片數(shù)量和排布方式?jīng)Q定了聲場性狀。單個晶片是構(gòu)成陣列的基本單元，建立其聲場模型后，通過空間聲場的干涉疊加得到整個陣列的輻射聲場。為了簡化模型，在所建模型中采用探頭工作在連續(xù)波模式下。

本文所研究的基本陣列單元為圓形晶片，故可在柱坐標(biāo)系下建立波動方程[3]。因壓電晶片振動的驅(qū)動力為電場力，晶片厚度方向上的兩面全部均勻鍍銀作為正負(fù)電極，驅(qū)動電壓施加在正負(fù)極間，因此電場力（即晶片驅(qū)動力）為極軸對稱的，故聲場也是極軸對稱的，即與極坐標(biāo)角θ無關(guān)，此時柱坐標(biāo)系下的波動方程可表示為：

本文所研究的探頭晶片半徑為a = 0.005m，工作頻率為 f = 1MHz，水中聲速為 c = 1500m/s，即可得到本文所研究的探頭晶片的輻射聲場解：

2.2 陣列聲場建模分析

陣列聲場是單晶片聲場的干涉疊加。

設(shè)在前文所述的無量綱坐標(biāo)系中，σ=0的平面上存在由N個晶片構(gòu)成的任意分布的陣列，任意選取平面上一點作為坐標(biāo)系原點（不失一般性地選取陣列中心空置點），如圖2所示。

圖2 無量綱柱坐標(biāo)系示意圖Fig.2 The non-dimension cylinder coordinates

圖3 無量綱柱坐標(biāo)系下任意晶片陣列示意圖Fig.3 Crystal array in non-dimension cylinder coordinates

設(shè)第i個晶片的圓心位置為(ρi,αi)，晶片表面振速分布為ui(ξ')，該晶片在σ=σ0的平面上任意點P(σ0,ξ,θ)處的輻射聲壓為pi(σ0,ξ,θ)，該平面上的虛線圓為第i個晶片的向上投影，則整個晶片陣列在點pi(σ0,ξ,θ)處的輻射聲壓為：

圖4 (a) 8晶片探頭陣列結(jié)構(gòu) (b) 12晶片探頭陣列結(jié)構(gòu)Fig.4 (a) The 8 piezoelectric crystals array (b) The 12 piezoelectric crystals array

3 探頭聲場的仿真分析

3.1 實際探頭的晶片陣列結(jié)構(gòu)

本文研究的8晶片和12晶片探頭的實際陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5 8晶片(左)和12晶片(右)探頭下方不同深度平面上的平均聲強分布仿真圖Fig.5 The mimic pattern of the Average Intensity in different depths under the surface of transducers of 8 crystals (left) &12 crystals (right)

3.2 實際探頭聲場的仿真

結(jié)合圖3所示的探頭晶片陣列結(jié)構(gòu)，可推知：8晶片探頭聲場表達(dá)式：

根據(jù)上述公式(5)和(6)，編程仿真不同深度上的探頭聲場分布。仿真條件為：信號頻率1 MHz，深度分別為探頭下方6 cm、9 cm、12 cm和15 cm，仿真面積5 cm× 5 cm，柵格點上的仿真值為歸一化平均聲強分貝值。仿真圖如圖5所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

1.隨著深度的增加，8晶片探頭聲場逐漸呈現(xiàn)矩形分布，12晶片探頭聲場逐漸呈現(xiàn)圓形分布；

2.12晶片探頭聲場的覆蓋面積大于8晶片探頭；

3.12晶片探頭聲場的均勻性優(yōu)于8晶片探頭；

4 探頭聲場的實際測試

4.1 測試設(shè)備及環(huán)境

采用ONDA CORPORATION針式水聽器，在脫氣水自由場中獲得數(shù)據(jù)。

4.2 測試方案

① 安裝探頭，保證其發(fā)射面水平；

② 安裝水聽器，保證其與探頭發(fā)射面垂直；

③ 分別在探頭下方6 cm、9 cm、12 cm和15 cm深度平面上做柵格掃描，得到所給定深度上的聲場分布和聲輸出參數(shù)。

4.3 測試結(jié)果

4.3.1 聲輸出參數(shù)及聲場分布

表1 實測不同深度上的聲輸出參數(shù)Tab.1 Ultrasonic output parameters in different depths

實際測量得到的不同深度上的歸一化平均聲強分布如圖6所示：

圖6 8晶片(左)和12晶片(右)探頭下方不同深度平面上的平均聲強分布實測圖Fig.6 The mimic pattern of the Average Intensity in different depths under the surface of transducers of 8 crystals (left) &12 crystals (right)

4.3.2 實測結(jié)果分析

① 實測得到的聲場分布與仿真結(jié)果吻合較好，證實了模型的正確性。

② 實測得到的聲場分布形式和變化狀況與3.3節(jié)的仿真結(jié)果分析相同；

③ 不同深度上兩探頭單位面積聲功率Ib、Ispta和pr相當(dāng)，無明顯差異。

5 臨床效果及結(jié)論

5.1 臨床效果

圖7 8晶片和12晶片探頭臨床效果對比Fig.7 The contrast of clinical performance of 8 crystals & 12 crystals ultrasonic transducer

將一個8晶片探頭和一個12晶片探頭同時接到具備獨立雙通道的EDAN F9胎兒母親監(jiān)護(hù)儀上，并同時放到同一個孕婦身上，用同一控制模塊分時切換，采集的數(shù)據(jù)由同一處理器同一段算法分時計算，10 min后交換兩個探頭的位置（以避免探頭與胎心位置的偏差造成的影響），將兩個探頭獲取的胎心曲線分別打印出來，進(jìn)行綜合比較。兩種探頭監(jiān)護(hù)獲得的胎心曲線如圖7中所示。相比較而言，12晶片陳列的探頭性能優(yōu)于8晶片。該圖中用長方形框標(biāo)出的部分，顯示出8晶片陳列探頭、監(jiān)測的曲線者有模糊處，而12晶片陣列探頭測得曲線此處仍十分清晰。

5.2 結(jié)論

① 仿真和實際測試得到的聲場分布形式一致，證明本文所建模型的正確性；

② 12晶片超聲探頭的聲場均勻，覆蓋面積較大，聲場性能優(yōu)異，增加了對胎心探測的覆蓋能力。

③ 12晶片超聲探頭的聲輸出參數(shù)較小，與8晶片探頭相比無明顯差異，說明增加晶片數(shù)目并未增大聲輸出強度，胎兒安全可以得到保障。

④臨床效果表明，在信號微弱或者胎動頻繁時，12晶片探頭計算更少斷線，靈敏度更高，穩(wěn)定性更好。

[1]馮諾.超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計[M].北京: 中國醫(yī)藥科技出版社,1993

[2]程志厚.胎兒電子監(jiān)護(hù)學(xué)[M].北京，人民衛(wèi)生出版社, 2001

[3]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京: 南京大學(xué)出版，第2版, 2001年3

[4]Andreas boos A New, Lightweight Fetal Telemetry System[J].Hewlett-Packard Journal, 1995, December: 6-7