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        超聲診斷儀M模式時間準確度測試儀的研制

        2013-11-12 07:22:00張磊張向崇蘭婉玲張劍周莉
        中國醫(yī)療器械雜志 2013年2期
        關(guān)鍵詞:診斷儀測試儀準確度

        張磊,張向崇,蘭婉玲,張劍,周莉

        四川省醫(yī)療器械檢測中心,成都市,611731

        B型超聲診斷設(shè)備國家標準GB10152-2009已經(jīng)發(fā)布并于2009年12月1號實施。新標準中增加了切片厚度、周長與面積偏差、三維重建體積計算精度和B型超聲診斷設(shè)備M模式時間準確度的要求。我所研制了基于仲裁法的M模式時間準確度測試儀。

        1 標準要求及試驗方法

        超聲診斷儀的M模式強調(diào)運動(Motion),可以單獨構(gòu)成M型超聲診斷儀,現(xiàn)多內(nèi)含于B型超聲診斷設(shè)備。M模式顯示的是一維空間組織的運動軌跡,強調(diào)的是運動幅度和運動周期。典型應(yīng)用是心動圖。

        M模式顯示原理如下:換能器在固定位置和固定方向?qū)θ梭w發(fā)射并接受超聲波,將回波信號幅度對顯示器做亮度調(diào)制,在顯示器上形成從上到下的一條亮暗不等的掃描線。掃描線的起始處即為發(fā)射脈沖時刻,一次顯示一個亮點,此后的掃描線光點亮度將取決于回波信號的強弱,大的反射源在掃描線上形成的亮點較強,而較小的反射源對應(yīng)的光點較暗[1]。

        2 檢驗工作需求

        GB10152-2009《B型超聲診斷設(shè)備》中4.2.10條M模式時間準確度要求:具有M模式的B超探頭,應(yīng)進行M模式時間顯示誤差的性能測試。性能指標應(yīng)符合制造商在隨機文件中公布的指標[2]。

        試驗方法見YY/T0108《超聲診斷設(shè)備M模式試驗方法》中第4.2.3條,測試靶的技術(shù)要求見YY0448-2003《超聲多普勒胎兒心率儀》的附錄B。為了滿足日常注冊及抽樣檢測工作需要,我們自行研制了M模式時間準確度測試儀。

        3 設(shè)計要求

        本測試儀的總設(shè)計要求為運動靶在滿足測量精度的基礎(chǔ)上,B超機屏幕上具有清晰的、對比度較高的波形。

        (1) 反射靶的運動精度

        經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn),B超機中M模式的時間顯示分辨率通常為0.1 s,部分機型的分辨率為小數(shù)點后第2位,即0.01 s,還有一些B超機是以bpm(burst per minute)即每分鐘心跳數(shù)為單位來顯示頻率。因此運動靶的分辨率要達到0.01 s,即可滿足測試精度需求。

        (2) 反射靶的運動特性

        反射靶在超聲診斷儀屏幕上顯示的運動軌跡應(yīng)無毛刺、無抖動、無漂移。在診斷儀上的成像應(yīng)為周期等腰三角波。

        (3) 反射靶的運動頻率點

        YY/T0108標準中5.6.1中M模式時間準確度的試驗方法并未規(guī)定試驗頻率[3]。由于M模式主要針對患者的心臟測量,故參考心電監(jiān)護儀的測量標準,設(shè)計了0.5 Hz(30 bpm)、1Hz(60 bpm)、2Hz(120 bpm)三個測量頻率點,并增加微調(diào)按鈕以便調(diào)整精度或設(shè)置新的測量頻率點。

        4 總體設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)

        由平臺框架、反射靶、試驗容器、驅(qū)動單元、可編程微控制器以及電源模塊組成,見圖1。

        圖1 測試儀結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of time accuracy tester

        試驗時,試驗容器內(nèi)放入蒸餾水,放于平臺上。平臺開有矩形孔作為超聲聲窗。電機在微控制器的精確控制下,驅(qū)動反射靶在水中上下往返作周期運動。超聲探頭透過平臺上的聲窗與容器底部接觸,測量水中運動靶的運動周期。

        5 M模式時間準確度測試儀的關(guān)鍵點分析

        測試儀原理雖簡單,但涉及聲學(xué)、機械與電子工程學(xué),其中需要注意的關(guān)鍵細節(jié)較多。下面分別進行介紹。

        (1) 反射靶的材料及控制

        實際調(diào)試中總結(jié)出:反射靶和連桿應(yīng)使用剛性材料制成,重量、尺寸應(yīng)滿足電機驅(qū)動能力,不能過大或者過小。重量大造成反射靶在運動軌跡兩端由于慣性而發(fā)生抖動,其直接影響是在超聲診斷儀屏幕上波峰或波谷點產(chǎn)生毛刺。嚴重的會導(dǎo)致波形呈現(xiàn)為不規(guī)則梯形,并在梯形的上下底邊出現(xiàn)振蕩波。反之,重量也不能過輕或者尺寸過大,否則反射靶在水中運動時受到阻力發(fā)生漂移,不能完成垂直直線運動,不能保證運動的周期性。以上兩種情況都會影響測量精度。

        目標靶運動頻率越高,速度越快,對整個系統(tǒng)的運動精度要求越高。需要綜合考慮的因素包括:減小靶在水中的阻力、降低靶的質(zhì)量、提高電機轉(zhuǎn)動的控制能力(即扭矩)。

        YY0448附錄D推薦反射靶由鋼球或者聲阻抗在為0.6*106kgm-2s-1~3.5*106kgm-2s-1范圍內(nèi)的材料制成。反射靶材料的聲特性阻抗與背景中水的聲特性阻抗相差大,有助于超聲波在反射靶表面的反射。本測試儀僅測量時間精度,只要保證反射靶反射的超聲回波信號足夠強就可以了。我們選取鋁質(zhì)反射靶。

        (2) 試驗容器的材料

        為了得到清晰、對比度高的圖像,使反射靶反射的超聲波要足夠強的同時,盡量衰減在容器中發(fā)生散射的超聲波,降低噪聲。

        根據(jù)波動理論,超聲波在媒質(zhì)中傳播遇到另一種媒質(zhì),當兩種媒質(zhì)的聲阻抗不同,就會發(fā)生反射與透射。原理見圖2。其中U0為入射波,遇到障礙物后,生成反射波U1,并發(fā)生入射現(xiàn)象。入射波進入障礙物后,一部分在障礙物內(nèi)部被衰減、吸收,另一部分在障礙物的另一面,聲特性阻抗發(fā)生變化,再次生成反射波U2與透射波U3。因此,試驗容器的理想材料能夠使的U1盡量小,打在容器壁上的超聲波能量大部分被吸收或衰減。

        圖2 超聲波遇到不同材料傳播路徑Fig.2 The transmitting trace of an ultrasonic sound which encountered in different materials

        YY0448推薦試驗容器為塑料,并在容器內(nèi)部加裝吸聲材料[4]。目的是減少超聲波在容器內(nèi)的反射。

        測試媒質(zhì)為蒸餾水,根據(jù)以上聲波傳輸原理,需要使容器的聲特性阻抗與水接近,才可減少超聲波在容器壁上反射。聚丙烯材料的聲特性阻抗在常見材料中與水較接近。所以選取聚丙烯。同時在桶壁包裹聚酯纖維材料的吸聲棉,進一步降低超聲波反射,提高對比度。

        6 使用效果

        將B超機切換到B+M模式,運動靶頻率設(shè)置在1 Hz(60 bpm)。屏幕上便顯示對應(yīng)頻率的三角波。運動靶移動的兩個端點分別對應(yīng)于圖像中三角波的波峰點與波谷點。圖像如圖3所示。

        在實際測試中,通過B超機M模式的時間測量功能,分別在兩尖峰點進行測量,并將讀數(shù)與運動靶實際頻率比較,即可得出偏差結(jié)果。

        圖3 頻率1 Hz(60 bpm)的實測結(jié)果Fig.3 The test results under 1 Hz(60 bpm)

        7 計量校準

        根據(jù)實驗室質(zhì)量體系要求,試驗儀器需要定期計量校準。本儀器主要測試項目為B超機的M模式時間準確度。時間(頻率)是其唯一指標。

        圖4 示波器中頻率為2 Hz(120 bpm)的計量結(jié)果Fig.4 The results under 2 Hz(120 bpm) in oscilloscope view

        根據(jù)以上原理可得出:不論微控制器波形準確度如何,最終都應(yīng)以運動靶為計量目標,以運動靶的時間準確度為整臺測試儀的準確度。為此,使用一個光電傳感器并配合示波器來確定運動靶的時間精度。運動靶在每周期內(nèi)均觸發(fā)一次光電開關(guān)。將運動靶的周期,通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電平開關(guān)信號發(fā)送至示波器,即可測量運動靶的運動頻率。

        簡單講,就是在計量時將實際測試中的診斷儀替換成示波器。將運動靶的頻率溯源至示波器。

        2 Hz(120 bpm)的計量結(jié)果(示波器中波形)見圖4。

        8 總結(jié)

        從圖3中可以看出,三角波形邊緣分明,無毛刺,無雜波,說明運動靶與控制電機的配合較好。屏幕中三角波的邊緣較清晰,具有較高的波形對比度,滿足設(shè)計要求。

        圖4為計量時,通過傳感器轉(zhuǎn)換的運動靶作2 Hz(120 bpm)周期運動的測試圖。計量中使用了安捷倫示波器MSO7054A,帶寬為500 MHz,采樣率為2.5 GHz,時間測量精度高于本M模式時間準確度測試儀的精度,可用于對其進行計量。實測頻率為2.0000 Hz,精度滿足0.01 s的要求。

        目前通過該設(shè)備累計完成注冊檢驗設(shè)備9臺,省抽檢設(shè)備3臺。包括29個探頭、46個頻率點的M模式時間準確度測試。注冊檢驗中出現(xiàn)不合格產(chǎn)品1臺,企業(yè)均現(xiàn)場確認,并使用該儀器完成整改。

        綜上所述,該測試儀滿足GB10152-2009中M模式時間準確度測量的要求,達到設(shè)計要求。

        [1]馮諾.超聲手冊[M].南京:南京大學(xué)出版社,1999.

        [2] GB10152-2009 B型超聲診斷設(shè)備[S].

        [3] YY/T0108-2008 超聲診斷設(shè)備M模式試驗方法[S].

        [4] YY0448-2009 超聲多普勒胎兒心率儀[S].

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