高申平 任慧燕 姚磊 俞醒言 王蕭博 蘭慶

摘要

在超聲量的測量中，被測的基本量是聲功率和聲壓及其時(shí)間、空間分布。針對醫(yī)用診療類超聲設(shè)備的聲場參數(shù)特點(diǎn)，對該類設(shè)備聲場的檢測方法如：輻射壓力法、光纖和光學(xué)檢測法、水聽器測量法進(jìn)行綜述，并對上述檢測方法進(jìn)行比較。

【關(guān)鍵詞】超聲 聲場 測量

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的超聲診療設(shè)備不斷出現(xiàn)，它們的工作頻率、強(qiáng)度和作用方式各不相同。與此同時(shí)，我國的超聲治療設(shè)備在腫瘤治療方面正取得舉世矚目的成就，并推動(dòng)了我國超聲儀器設(shè)備的快速發(fā)展。為了提高診斷能力和加強(qiáng)超聲治療效果，超聲診療類設(shè)備的強(qiáng)度正在不斷增加，這也同時(shí)增加了使用超聲設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)性，特別是高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）設(shè)備和體外震波碎石儀，在焦點(diǎn)附近匯聚著相當(dāng)強(qiáng)的聲波能量，使用不當(dāng)會(huì)對人體組織造成永久性傷害。因此，為了保障使用該類設(shè)備的有效性和安全性，必須對該類超聲醫(yī)療設(shè)備的超聲聲場分布進(jìn)行研究，切實(shí)保證超聲治療類設(shè)備的安全和有效使用，為我國超聲治療設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展和進(jìn)入國際市場提供計(jì)量和測試保障。推動(dòng)我國超聲儀器設(shè)備研發(fā)的快速健康發(fā)展，更好地服務(wù)民生醫(yī)療。

1 聲場參數(shù)

超聲能量輸出的實(shí)時(shí)監(jiān)控是超聲診療類臨床應(yīng)用的質(zhì)量保證1。以醫(yī)用診療類設(shè)備HIFU為例，該類超聲設(shè)備的聲場主要參數(shù)有：聲功率、聲強(qiáng)、聲壓、聲焦域等。

而目前對其主要參數(shù)的檢測方法包括：輻射壓力法、量熱法、光纖和光學(xué)檢測法、水聽器測量法等。

2 測量方法

2.1 輻射壓力法

輻射壓力法的典型代表是輻射力天平法（RFB法）2，也是國際社會(huì)公認(rèn)的超聲聲功率檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法，其出現(xiàn)時(shí)間最早。如今該方法的測量體系己相當(dāng)完善，在國內(nèi)現(xiàn)己頒布了多個(gè)現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)。但RFB法并非盡善盡美，比如臨床中使用的聚焦超聲治療頭發(fā)出的功率都超過了30W，有的可以達(dá)到100W以上，輻射力天平的吸收靶吸收掉這些高強(qiáng)度聲波的能量會(huì)轉(zhuǎn)換為自身的熱量，使得吸收靶的吸聲系數(shù)降低影響測量的準(zhǔn)確性，甚至出現(xiàn)永久性的熱損傷和機(jī)械損。另外由于換能器的制作工藝等問題導(dǎo)致聚焦換能器的振元表面與理想的波陣面不同，即在形狀上不完全是球面的一部分，因此就有一定的像差，又由于聲波傳播過程中的衍射效應(yīng)，因此焦域內(nèi)不存在一個(gè)理想的焦點(diǎn)。此時(shí)的焦點(diǎn)變得模糊，焦域內(nèi)的聲強(qiáng)降低，能量聚集程度降低，換能器的聚焦效果變差。此外，由于輻射力天平法僅能獲得單一功率指標(biāo)，無法判斷聚焦換能器的聚焦效果，不利于醫(yī)用治療頭的全面評價(jià)。

2.2 量熱法

量熱法的測量方法主要是當(dāng)超聲波入射到某聲吸收液體時(shí)，超聲波聲能量轉(zhuǎn)為該吸收液體的熱能，該熱能引起聲吸收液體的溫度升高或者體積變化，通過測量溫度變化或體積變化得到該聲吸收物質(zhì)的吸收能量，然后根據(jù)輻射時(shí)間，得到該換能器的超聲功率。目前，實(shí)際采用的聲吸收液體主要是蓖麻油。

量熱法是用來測量介質(zhì)吸收多少的能量，特別是在一定質(zhì)量介質(zhì)中的溫升，此時(shí)假定介質(zhì)中的溫度分布是一致的（或者至少變化一致）。如果介質(zhì)的比熱容已知，能量吸收值的表達(dá)式如（1）所示。

△J=MC△T（1）

其中，M介質(zhì)的質(zhì)量，M介質(zhì)自身的比熱容，△T是溫升。

2006年，顧欣3采用熱電偶測量蓖麻油靶子的溫度變化，將多支熱電偶分布在蓖麻油內(nèi)，利用溫度變化的量熱法測量超聲功率。盛有蓖麻油的靶子吸收超聲聲能后，通過熱電偶分布測量蓖麻油內(nèi)平均溫度變化。但是，由于即使采用多支熱電偶也不能完全反應(yīng)靶子中的溫度分布，因此測量的超聲功率會(huì)比實(shí)際輸入超聲功率小;且熱電偶測溫的時(shí)間比較長，這樣也就意味著在這段時(shí)間內(nèi)有能量散失到容器或者外部環(huán)境中，因此測量結(jié)果存在較大偏出。

量熱法的測量結(jié)果往往比實(shí)際功率值要低。量熱法與輻射力天平法一樣也僅能獲得單一的功率指標(biāo)，這不利于全面的評價(jià)醫(yī)用超聲探頭的性能并且測量等待時(shí)間較長，效率較低。

2.3 光纖和光學(xué)檢測法

光纖和光學(xué)檢測法主要包括Reman-Nath4衍射聲光法和激光干涉測量法，前者要求在高頻超聲非空化狀態(tài)下測量，被測量的聲束橫截面應(yīng)在換能器的標(biāo)準(zhǔn)測試距離即近場場度之內(nèi)，并保證平面波近似條件的滿足，測試條件很苛刻;后者是通過測定輻射聲源的表面位移振幅（或振速振幅），可以由測得的聲源表面位移（振速）來確定輻射聲功率，而且對整個(gè)輻射聲場沒有任何干擾。據(jù)此原理，同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在測量低頻大功率超聲換能器表面振速5時(shí)，該方法是一種行之有效的途徑。但不足之處在于其所測量的插入式增幅桿超聲換能器被近似為無幕的活塞輻射，但對于其他形式的超聲換能器還需從理論上作進(jìn)一步研究。此外，光學(xué)法的這種特性決定了上述方法不適用于便攜式現(xiàn)場測量。通過上海交通大學(xué)研制的聲光功率計(jì)和中國計(jì)量科學(xué)研究院的輻射力功率計(jì)進(jìn)行比對，兩者相對偏差不到±10%。

2.4 水聽器測量法

水聽器測量法也稱為聲場掃描積分法，主要是使用水聽器對脈沖波或者連續(xù)正弦波聲場的聲壓進(jìn)行測量。這種測量方法的不足之處在于對實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，計(jì)算公式較其他方法復(fù)雜，積分計(jì)算必須借助計(jì)算機(jī)輔助軟件才能實(shí)現(xiàn)。這種方法可以測得超聲聲場中多個(gè)參數(shù)，能夠較為全面地反映超聲信號(hào)在聲場中的特點(diǎn)，采用該方法來評定醫(yī)用治療頭比用僅能獲得單一功率指標(biāo)的輻射力天平法更加合理和全面。因此，該方法已經(jīng)成為近十年來國內(nèi)外該領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)和發(fā)展方向，進(jìn)而水聽器的設(shè)計(jì)和制作就成為了水聲界研究的熱點(diǎn)。國外對水聽器的研究較早，美國的ONDA公司生產(chǎn)的水聽器品種眾多且知名度很高。通過三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和水聽器的配合可實(shí)現(xiàn)聲場的實(shí)時(shí)測量。

國內(nèi)比較著名的水聽器法測量聲場分布系統(tǒng)由上海交通大學(xué)自主研發(fā)，該校首先自主研發(fā)了性能卓越，具有國際先進(jìn)水平PVDF高頻水聽器，在此水聽器的基礎(chǔ)上又自主研制具有11個(gè)自由度的SJTU-1型醫(yī)用超聲診斷7設(shè)備聲輸出測量系統(tǒng)，

3 測量方法比較

針對以上四種檢測方法，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論和比較如表1所示。

4 討論及展望

針對本文討論的四種對醫(yī)用超聲診療類設(shè)備聲場參數(shù)的測量方法，給出了各類方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。目前超聲治療設(shè)備的校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展，已不能滿足國內(nèi)超聲相關(guān)企業(yè)的校準(zhǔn)需求，更不能滿足醫(yī)用超聲、高端裝備制造等行業(yè)的發(fā)展需求，嚴(yán)重制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，需要研究新型的診療設(shè)備和高強(qiáng)度超聲治療設(shè)備的校準(zhǔn)技術(shù)，研制相關(guān)的聲場參數(shù)測量和校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置，建立完善該類設(shè)備的計(jì)量校準(zhǔn)能力，為相關(guān)醫(yī)療領(lǐng)域的廠家、用戶和使用單位提供更準(zhǔn)確更安全的技術(shù)服務(wù)。

（通訊作者：姚磊）

參考文獻(xiàn)

[1]黃曦，林濤，付英述等.用PVDF壓電傳感器對高強(qiáng)度聚焦超聲聲功率實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)研究[J].世界科技研究與發(fā)展，2009，31（01）：000159-161.

[2]J.Zieniuk，汪漢春.用輻射壓力法和量熱法測量超聲功率[J].國外計(jì)量，1978（03）：46-52.

[3]顧欣.一種基于量熱法的超聲功率測量方法的研究[D].上海交通大學(xué)，2006.

[4]楊桂娟，郝斌，王君等.Raman-Nath衍射光強(qiáng)的研究[J].壓電與聲光，2011，33（04）：533-535.

[5]胡險(xiǎn)峰.超聲換能器表面的振動(dòng)狀態(tài)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2006，26（06）：3-7.

[6]費(fèi)騰，王月兵.用探針?biāo)犉鳒y量超聲波聲場[C].中國造船工程學(xué)會(huì)儀器儀表學(xué)委會(huì)水聲學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，2007.

[7]壽文德，周剛，夏榮民等.SJTU-1型醫(yī)用超聲診斷設(shè)備聲輸出測量系統(tǒng)的研制[J].應(yīng)用聲學(xué)，2004，23（02）：1-6.