鄭音飛，付文鑫，姚磊，曹永剛

1. 浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058；2. 浙江省計量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310058；3. 中國計量大學(xué)，浙江 杭州 310058

引言

超聲診斷和治療設(shè)備已成為醫(yī)院不可或缺的醫(yī)療設(shè)備，在臨床診斷和治療中發(fā)揮著巨大的作用?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，不斷有新的診療類超聲儀器設(shè)備出現(xiàn)，這類設(shè)備的超聲劑量、超聲頻率和診療方式也各有不同。在高強(qiáng)度聚焦超聲（High-Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治療腫瘤技術(shù)快速發(fā)展的背景下，超聲診療設(shè)備的強(qiáng)度也在不斷增加，同時增加了使用超聲設(shè)備的風(fēng)險，對一些重要儀器設(shè)備稍有使用不當(dāng)作用在人體器官或者組織將會對其造成無法估量的永久性傷害。因此為了更好地保障超聲診療類設(shè)備的性能有效性和操作安全性，有必要對當(dāng)前市場中的使用的相關(guān)超聲設(shè)備進(jìn)行儀器設(shè)備的超聲聲場的分布計量和超聲設(shè)備的功率計量方法研究、數(shù)據(jù)分析和其他參數(shù)校準(zhǔn)。其中關(guān)鍵技術(shù)和核心部件由三個方面組成：標(biāo)準(zhǔn)及耐高聲強(qiáng)水聽器、超聲聲場分布檢測和校準(zhǔn)裝置、非接觸式超聲測溫技術(shù)。

1 水聽器檢測

1.1 基于水聽器的超聲設(shè)備檢測

過去的三十年間，圍繞醫(yī)療超聲設(shè)備的性能（聲壓、聲強(qiáng)、聲場以及輻射聲功率等）的檢測，國際電工委（IEC）和國家標(biāo)準(zhǔn)委員會持續(xù)發(fā)布或更新了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 61689、IEC/TR 62649、GB/T 19890 等[1-4]。從中可以得出，輻射力天平法、量熱法和水聽器掃描法是醫(yī)療超聲設(shè)備檢測的最主要方法（表1）。

表1 醫(yī)療超聲設(shè)備的主要檢測方法

綜上所述，水聽器掃描法是目前唯一能夠同時實(shí)現(xiàn)超聲換能器的“劑量”和“分布”檢測的檢測方法。水聽器掃描法的不足之處在于對實(shí)際試驗(yàn)設(shè)備具有較高要求，在進(jìn)行聲場參數(shù)計算時公式較為復(fù)雜，大量的數(shù)據(jù)積分需要借助計算機(jī)才能夠?qū)崿F(xiàn)。水聽器掃描法測量得到超聲聲場的多個參數(shù)，能夠非常全面地體現(xiàn)超聲設(shè)備在聲場中的特點(diǎn)，采用該方法可有效地評價超聲類設(shè)備，這是輻射力天平法和量熱法無法解決的問題。因此，近年來水聽器測量法成為了國內(nèi)外該領(lǐng)域研究超聲聲場參數(shù)的熱點(diǎn)和發(fā)展方向，故水聽器作為該方法的關(guān)鍵核心設(shè)備成為了水聲界研究的熱點(diǎn)。在我國只有少數(shù)的科研單位為能夠制作水聽器（多為探針?biāo)犉鳎┯糜诤唵蔚某暅y量。在種類、性能等方面，與國外的產(chǎn)品還有較大的差距。

1.2 耐高聲強(qiáng)水聽器與薄膜水聽器

超聲儀器設(shè)備的能量輸出是設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)該參數(shù)準(zhǔn)確可靠的實(shí)時監(jiān)控也是臨床應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)。以當(dāng)前常用的治療類超聲設(shè)備HIFU 為例，HIFU 是高強(qiáng)度聚焦超聲的簡稱，該設(shè)備的運(yùn)行原理是將超聲波通過一定的聚焦手段（聲透鏡、凹球面自聚焦、電子聚焦等）匯聚到體內(nèi)，在特定區(qū)域內(nèi)形成高強(qiáng)度的聚焦超聲聲場。在利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)等特性能在焦點(diǎn)處瞬間（0.5～2 s）達(dá)到高溫，從而實(shí)現(xiàn)滅活腫瘤組織的目的，并且避免了損傷周邊正常細(xì)胞[5-8]。目前，臨床上使用的高強(qiáng)度聚焦超聲的聲功率通常在數(shù)百W/cm2的范圍，以重慶海扶JC200 超聲聚焦刀婦科專用儀器為例，其輸出聲功率在70～400 W 范圍內(nèi)。因此，現(xiàn)有的水聽器（例如，ONDA薄膜水聽器HMA 最高承受7～52 MP）已經(jīng)不能滿足JC200設(shè)備的性能檢測。不難發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度聚焦超聲檢測的專用水聽器在國內(nèi)外都是空白。因此，本文提出了研制耐高聲強(qiáng)水聽器與薄膜水聽器的研究目標(biāo)。

首先，設(shè)計研制耐高聲強(qiáng)水聽器。該水聽器的結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，主要包括匹配層1 和2，弛豫鐵電單晶PMN-PT 等。其中，匹配層為具有耐沖擊性的復(fù)合材料和金屬材料，并在聲學(xué)上匹配PMN-PT 壓電材料。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然會帶來水聽器靈敏度的降低，但卻可以拓寬水聽器款頻帶的響應(yīng)，同時還可以有效提高水聽器的耐沖擊能力，滿足數(shù)百W/cm2的聲功率檢測需求。

其次，課題還將設(shè)計研制PVDF 薄膜水聽器，該水聽器的結(jié)構(gòu)如圖1b 所示，主要由PVDF 壓電薄膜、前后保護(hù)薄膜以及水聽器外殼構(gòu)成。該水聽器具有較寬、較平坦的頻帶響應(yīng)，且性能穩(wěn)定。因此，可作為標(biāo)準(zhǔn)水聽器，為耐高聲強(qiáng)水聽器的校準(zhǔn)、為高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的檢測等提供參照。

圖1 耐高聲強(qiáng)水聽器與薄膜水聽器結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)圖1 所示的耐高聲強(qiáng)水聽器和薄膜水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計，課題完成了兩種水聽器的制作，實(shí)物圖如圖2 所示。同時，采用標(biāo)準(zhǔn)水聽器對比法，課題完成了圖2 所示水聽器的靈敏度檢測。檢測結(jié)果如圖3 所示，結(jié)果顯示研制的耐高聲強(qiáng)探針?biāo)犉骺梢愿采w0.5～14 MHz 的工作頻段，其高頻部分（4～14 MHz）的靈敏度約為-240 dB；而研制的薄膜水聽器的工作頻率則覆蓋了0.5～20 MHz，且具有相對平坦的接收靈敏度—約為-260 dB。

圖2 耐高聲強(qiáng)水聽器(a)和薄膜水聽器實(shí)物圖(b)

圖3 耐高聲強(qiáng)水聽器與薄膜水聽器靈敏度曲線

2 聲場檢測和校準(zhǔn)裝置

2.1 國內(nèi)聲場檢測校準(zhǔn)裝置研究

在聲場分布測量系統(tǒng)研究中，上海交通大學(xué)在該方面的研究較為領(lǐng)先，自主研發(fā)的水聽器法測量聲場系統(tǒng)性能卓越，研制的PVDF 高頻水聽器處于國際先進(jìn)水平，研制的SJTU-1 型[9]醫(yī)用超聲診斷測量系統(tǒng)具有11 個自由度的，可實(shí)現(xiàn)超聲聲場準(zhǔn)確測量。能夠在焦域位置處，對超聲聲場進(jìn)行X、Y、Z 三個軸向的掃描測量，將各掃描點(diǎn)處的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制成完整的聲壓分布圖，并實(shí)時顯示測量的聲壓平方積分值，供操作者進(jìn)行判斷，以選定最大值所在的空間位置。設(shè)計的探頭夾具讓被測探頭位于水槽水面以上，只讓輻射面浸沒在水面以下，避免探頭的其余部分與水接觸，以免損壞探頭。保證探頭有3 個轉(zhuǎn)動自由度α、β、γ，其中β 角可用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動做微角掃描。三個平移自由度可以保證在測量凸陣時, 其扇面角中心與O 點(diǎn)準(zhǔn)確重合，在測量線陣時, 線陣面對稱中心位于Ovh 點(diǎn)處。而測量水聽器采用上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)超聲實(shí)驗(yàn)室研制的JJ-600A 型PVDF 壓電薄膜針形水聽器，該水聽器具有良好的平坦度和較優(yōu)的高頻特性。采集系統(tǒng)采用Tektronix TDS-5052 數(shù)字示波器搭配計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，其中Tektronix TDS-5052 數(shù)字示波器可一次性采集存貯10 萬個波形。滿足聲場各點(diǎn)水聽器輸出瞬時電壓波形數(shù)據(jù)的采集、存貯和計算等測量要求。步進(jìn)電機(jī)控制儀由8031 單片機(jī)系統(tǒng)板、接口板、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和RS-232 接口組成?？捎糜嬎銠C(jī)控制，也可實(shí)現(xiàn)前面板按鍵控制。

陜西師范大學(xué)的林書玉等[10]對高強(qiáng)聲場的測量方法進(jìn)行研究，并的得出水聽器法是多種測量方法中較為理想的測量方法這一結(jié)論，測量示意圖如圖4 所示。

圖4 高強(qiáng)聲場測量示意圖

超聲聲場采用美國Crest2008D 型超聲清洗機(jī)，水聽器的選擇是關(guān)鍵。針對該類水聽器有以下幾點(diǎn)主要要求：① 水聽器的靈敏度較高，實(shí)現(xiàn)對較弱的超聲信號采集；② 水聽器具有較為平緩的靈敏度曲線，保證超聲信號的采集準(zhǔn)確真實(shí)；③ 要選擇合適的水聽器進(jìn)行信號采集，水聽器在保證靈敏度的要求下，尺寸盡量小，對實(shí)際超聲聲場的干擾盡量小，可以提供更高精度的超聲聲場的空間分布測量；④ 水聽器的工作頻帶要盡量寬，這樣能夠在超聲聲場中接收到更多的信號，滿足聲場測量的要求；⑤ 水聽器還需要有一定的耐腐蝕和耐高溫的特性。因此水聽器使用浙江杭州成功超聲設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CS-3 型水聽器，該水聽器在5 Hz至200 kHz 的頻率范圍內(nèi)水的靈敏度為（-210±4.5）dB。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號接收模塊為美國泰克公司生產(chǎn)的數(shù)字熒光示波器。

中國計量學(xué)院的杜江齊[11]根據(jù)深圳計量院的研究條件搭建出了一套穩(wěn)定性、可重復(fù)性好，且能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中對用水聽器法超聲聲場分布參數(shù)要求的測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)的示意圖，如圖5 所示。

圖5 深圳計量院測量系統(tǒng)圖

與上文中提到的兩種水聽器法測量系統(tǒng)相比，深圳計量院設(shè)計的測量水槽為長方體的水槽，其材料為超聲消音材料，進(jìn)一步避免水中回波對超聲聲場的影響。為了減小空化效應(yīng)對測量結(jié)果的影響，測量用水為去氣蒸餾水。該系統(tǒng)使用的PVDF 薄膜水聽器為美國SONORA 醫(yī)學(xué)系統(tǒng)公司生產(chǎn)的804/W Preampg 型，該水聽器的線性響應(yīng)頻率范圍可以覆蓋1～20 MHz，在頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)曲線光滑平坦，能夠符合系統(tǒng)要求。機(jī)械系統(tǒng)由水槽、水聽器夾具、可移動式機(jī)架、探頭夾具、四自由度手動調(diào)節(jié)裝置及三軸精密定位自動掃描裝置等部分組成。其中由HIWIN 公司的制作的精密滾珠絲杠具有有效載荷大的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)履帶式定位系統(tǒng)相比，三軸精密定位自動掃描裝置的定位機(jī)構(gòu)重復(fù)性和使用壽命有較大提高。水溫測量電路、電源電壓穩(wěn)壓電路和電機(jī)驅(qū)動電路組成了控制系統(tǒng)的電路部分，它們與MCU 控制器、EPLD 可編程邏輯器件、主機(jī)通信接口共同組成控制系統(tǒng)，主要用以控制機(jī)械運(yùn)動和水溫。采用Tektronix TDS 3012B 型高性能數(shù)字示波器對傳感器的信號進(jìn)行采集，輔以Labview 軟件對其進(jìn)行測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲分析處理。

2.2 超聲聲場校準(zhǔn)裝置的研制

近年來隨著近場測量技術(shù)的發(fā)展，在水聲計量領(lǐng)域通常將測試區(qū)域移動到預(yù)聚焦區(qū)域和近場區(qū)域來解決直接用水聽器測量聲強(qiáng)非常高的聚焦區(qū)域，對測量儀器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞的問題。根據(jù)聲傳播理論，對水聽器的測量結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)計算，得到整個水下空間的聲場分布，既保護(hù)了測量水聽器又打破了校準(zhǔn)條件只能是遠(yuǎn)場的限制。

本課題研制的超聲聲場校準(zhǔn)裝置能夠滿足高功率高聲強(qiáng)的超聲換能器的聲場參數(shù)校準(zhǔn)，依據(jù)近場聲全息理論，結(jié)合COMSOL 有限元仿真軟件對凹球面聚焦聲源的聚焦聲場進(jìn)行仿真，并設(shè)計實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，通過二者的比較來分析計算方法的有效性和精度[12]。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件，在COMSOL 仿真軟件下構(gòu)建直徑為20 mm 的凹球面聚焦換能器。其中Z 軸為聲場方向軸，XOY 平面為換能器工作平面。采用三維空間維度作為模型，選擇邊界元模塊和壓力聲學(xué)頻域模塊耦合，為避免回波對聲場進(jìn)行干擾，將邊界條件設(shè)置為水充滿無限大的域中。仿真計算時給定2 MHz 的頻率下進(jìn)行研究，采用自由剖分三角形網(wǎng)格，而網(wǎng)格尺寸為六分之一個波長為最佳，計算其輻射聲場和傳播過程。網(wǎng)格采用自由三角形網(wǎng)格劃分，由于網(wǎng)格的精細(xì)程度直接影響計算解的精細(xì)程度，故采用極細(xì)化劃分模式，網(wǎng)格的劃分精度為1/6 的波長，如圖6 所示。

圖6 凹球面聚焦換能器

在COMSOL 仿真軟件下的聚焦聲場的聚焦特性和傳播形態(tài)，聲場傳播如圖7 所示。

圖7 20 mm的凹球面聚焦換能器聚焦聲場的聲壓級分布圖

在圖7 中，能量最高的區(qū)域?yàn)轭伾噬罴t且形狀大小成橢圓形米粒狀的焦域，該區(qū)域距離聲源表面為15 mm，此處即為焦域。在焦域位置換能器的聲強(qiáng)最高，聲功率最大。分析計算有限元模型的聲功率理論值，在仿真軟件下利用派生值對焦點(diǎn)處聲場截面大小為4 mm×4 mm，細(xì)分40×40 個網(wǎng)格采樣點(diǎn)的聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的積分可得焦點(diǎn)處聲功率最大值為5.702 W，該值可作為有限元模型的聲功率理論值。根據(jù)聲學(xué)焦域的聚焦特性與形態(tài)可知焦域短軸為1 mm，焦域長軸為3 mm，焦點(diǎn)處的聲壓分布，如圖8 所示。

圖8 焦點(diǎn)處聲壓分布圖

由圖8 得焦點(diǎn)處聲壓分布，可知該有限元模型聲場分布均勻?qū)ΨQ且在焦點(diǎn)處達(dá)到聲壓最大值。在三維空間的聲軸Z軸方向上取焦點(diǎn)前5 mm 的4 mm×4 mm 近場聲源截面，細(xì)分截面為40×40 的網(wǎng)格點(diǎn)，對焦點(diǎn)處的聲場截面進(jìn)行聲場重建，計算焦點(diǎn)處聲功率，實(shí)現(xiàn)超聲換能器的聲場測量。

超聲聲場校準(zhǔn)裝置主要包括測量水槽、前置放大器、數(shù)字示波器、高精度三維運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)、計算機(jī)、發(fā)射聚焦換能器、寬頻帶信號源等。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

（1）實(shí)驗(yàn)所需的硬件系統(tǒng)示意圖，如圖9 所示。測量水槽中的水應(yīng)為蒸餾水，以防水的空化現(xiàn)象對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

圖9 聚焦聲場測試系統(tǒng)

（2）信號源發(fā)射脈沖信號加載至聚焦換能器，激勵其發(fā)射輻射聲場，同時信號源與數(shù)字示波器相連作為外部觸發(fā)輸入，用來計算延時和捕捉實(shí)時聲壓波形。

（3）經(jīng)三維運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)和夾具的配合，將水聽器調(diào)節(jié)至垂直于換能器工作平面的位置，水聽器接收聲信號后輸出為電信號，經(jīng)由前置放大器輸出，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集存儲到計算機(jī)中并在數(shù)字示波器上顯示。

（4）計算機(jī)控制三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)使水聽器在測試水槽中運(yùn)動并對聲場進(jìn)行掃描，采集全息聲壓數(shù)據(jù)。

本超聲聲場校準(zhǔn)裝置，利用三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制水聽器在聚焦聲場的近場區(qū)域進(jìn)行掃描，重建焦點(diǎn)處聲場進(jìn)行互譜運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過近場互譜法測得的焦點(diǎn)處的聲功率值與仿真預(yù)測的焦點(diǎn)處的聲功率誤差符合聲學(xué)計量的要求，克服了雙水聽器的頻率上限和其兩通道的性能不完全一致帶來的附加相位問題。通過本超聲聲場校準(zhǔn)裝置，可以得到聲壓、聲功率等多個重要的聲場參數(shù)，相比現(xiàn)有的測量方法能更全面的評價醫(yī)用超聲換能器的使用性能狀態(tài)和合格有效性。在醫(yī)療設(shè)備的計量檢測過程中，近場互譜法為超聲設(shè)備的計量檢測奠定了理論基礎(chǔ)，為現(xiàn)場檢測超聲診療設(shè)備提供了理論基礎(chǔ)，對超聲醫(yī)療設(shè)備聲學(xué)性能的計量檢測和標(biāo)準(zhǔn)裝置研制具有非常大的理論指導(dǎo)意義。

3 超聲無創(chuàng)測溫

3.1 超聲測溫的背景及意義

在臨床的HIFU 和肝臟射頻消融手術(shù)中，溫度需要保持到50℃以上，為了保證治療的效果和安全，必須要實(shí)時監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的溫度。現(xiàn)如今只能依靠臨床手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，而并沒有一個有效的測溫方法和設(shè)備。因此無創(chuàng)測溫是目前研究的熱點(diǎn)。已經(jīng)在研究的方法包括電阻抗（EIT）測溫法、核子共振（MRI）測溫法、X 射線斷層掃描測溫法、微波（MW）測溫法和超聲測溫技術(shù)。但是這些方法也的缺點(diǎn)也很明顯：如MRI 測溫方法設(shè)備價格昂貴，對使用環(huán)境有要求，不能有金屬物品，且實(shí)時性不高；CT 對人體有輻射，不能長時間使用；微波輻射法的測量深度和精度滿足不了監(jiān)控的要求；電阻抗測溫法測試精度不夠[13-15]。超聲測溫具有兼容性好，實(shí)時性高，對人體危害性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在測溫領(lǐng)域是受到廣泛的關(guān)注[16-17]。

3.2 超聲無創(chuàng)測溫的研究現(xiàn)狀

超聲無創(chuàng)測溫的基本原理是利用組織超聲參數(shù)和溫度的相關(guān)性來進(jìn)行測溫。溫度發(fā)生改變，超聲波接收器收到的信號也會發(fā)生變化，通過合適的信號處理方法后，提取相關(guān)的超聲聲學(xué)參數(shù)，最后得到溫度變化數(shù)值。現(xiàn)如今，主要用以下四種聲學(xué)參數(shù)來進(jìn)行測溫，見表2。

表2 超聲無創(chuàng)測溫的方法

基于聲速的測溫方法原理是利用局部組織溫度變化造成聲速變化或者散射間距的變化來測溫[18-20]，此方法設(shè)備和原理較為簡單，但是在復(fù)雜的實(shí)際臨床測溫中，散射情況較為復(fù)雜，對結(jié)果影響很大；基于散射系數(shù)的測溫方法的原理式組織的散射系數(shù)和溫度具有相關(guān)性。但是此方法的空間分辨率較差，僅能在較為理想的環(huán)境中測溫[21-22]；超聲非線性參數(shù)（B/A）與溫度的相關(guān)系數(shù)較大，因此也能應(yīng)用在測溫中[23-24]，但是測溫前要知道待測組織的B/A和溫度的變化關(guān)系，這在實(shí)際的臨床測溫中有較大的困難；溫度發(fā)生改變時，物體對超聲信號的衰減程度發(fā)生變化，因此可以通過信號幅值的變化來求出溫度變化。聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性高，利用聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性測溫可獲得更高的溫度分辨率[25-28]，這讓它成為了超聲無創(chuàng)測溫中的研究熱點(diǎn)。

眾多學(xué)者的研究成果表明基于聲衰減系數(shù)的測溫方法具有較好的前景，但由于受到散射和聲場分布的影響，目前測溫的精度仍有待加強(qiáng)?；诼曀p系數(shù)的測溫方法的關(guān)鍵在于精確獲得衰減系數(shù)的變化，即聲功率的變化，但現(xiàn)有方法距離準(zhǔn)確地，較快地求解還有一定的距離。

3.3 基于熱釋電傳感器的超聲測溫原理

熱釋電材料具有自發(fā)極化的性質(zhì)。熱釋電材料是一種特殊的電介質(zhì)材料。電介質(zhì)內(nèi)部沒有自由載流子，因而沒有導(dǎo)電能力。但是在外加電場后，電介質(zhì)的帶點(diǎn)粒子在電場力的作用下，分別向電介質(zhì)兩側(cè)運(yùn)動，從而會發(fā)生極化。一般的電介質(zhì)在外接電場時發(fā)生極化，撤去電場后極化狀態(tài)消失，帶電粒子重歸無規(guī)則狀態(tài)。熱釋電材料的特殊性在于撤去電場后，仍保持極化狀態(tài)，且自發(fā)極化的大小跟溫度相關(guān)。當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時，自發(fā)極化強(qiáng)度發(fā)生變化，相應(yīng)的束縛電荷面密度也隨之改變，表面電荷減少，因而會“放出”電荷，可以經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出。

基于熱釋電傳感器的超聲測溫的原理，如圖10 所示。將熱釋電材料設(shè)計成大面積的均勻敏感面，確保攔截聲場的聲束。換能器受到激勵發(fā)出超聲，超聲經(jīng)過待測區(qū)域后被熱釋電傳感器攔截，超聲能量在具有高聲衰減性質(zhì)的背襯中快速被吸收轉(zhuǎn)化成熱能，并引起溫度的變化，緊貼在背襯表面的熱釋電薄膜響應(yīng)溫度的變化產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致信號接收裝置的電壓發(fā)生變化。溫度變化引起組織對超聲的衰減程度發(fā)生改變，則到達(dá)傳感器的聲功率發(fā)生變化，傳感器的輸出也隨之發(fā)生變化，根據(jù)變化量可求出溫度變化大小。

圖10 超聲測溫的原理示意圖

根據(jù)其性質(zhì)，用熱釋電傳感器測溫又以下優(yōu)點(diǎn)：探測率高，可以設(shè)計成大面積的均勻敏感面，工作時可以不用外加電場，頻率響應(yīng)較寬。并且不需要復(fù)雜聲場的計算，從而提高溫度檢測的準(zhǔn)確度。

3.4 熱釋電傳感器的制造和測試

根據(jù)測溫原理，熱釋電傳感器主要由三部分組成：熱釋電薄膜，吸聲背襯，外殼。熱釋電薄膜的作用是響應(yīng)薄膜-背襯處溫度的變化，輸出檢測信號，為了保證聲透性和較高的熱釋電系數(shù)，此處選用極化的聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜，并在薄膜外側(cè)添加一層隔水層。背襯的吸聲特性嚴(yán)重影響著傳感器的性能，必須能夠充分吸收聲能，本文選擇的背襯主體材料為聚氨酯橡膠，再通過材料微球膨脹劑增加背襯衰減系數(shù)。傳感器的參數(shù)分別為：傳感器直徑15 mm，PVDF 厚度50 μm，PVDF 熱釋電系數(shù)40 μC/K·m2，PVDF 衰減系數(shù)9.4 dB/cm·MHz，背襯衰減系數(shù)64 dB/cm·MHz，背襯密度1910 kg/m3，背襯聲速1000 m/s，導(dǎo)熱系數(shù)0.334 W/m·K，傳感器電容12.7 nF。

在測試實(shí)驗(yàn)中將豬肉切成片狀進(jìn)行加熱，將熱電偶插入豬肉檢測其溫度，并用熱釋電傳感器測量通過豬肉的超聲信號。其中超聲換能器的頻率是1 MHZ，聲功率是5 W?？紤]到隨機(jī)噪聲對峰值電壓的影響，選擇信號時域能量表征傳感器的輸出。重復(fù)進(jìn)行五次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示，換能器打開-關(guān)閉周期內(nèi)熱釋電傳感器的信號能量隨著組織溫度升高而減小。

圖11 傳感器信號能量與組織溫度的關(guān)系

求五次實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的均值，并進(jìn)行最小二乘擬合，得到如下的函數(shù)：

式中，y 為溫度，x 為信號能量，其系數(shù)與待測組織的聲衰減系數(shù)和超聲換能器的功率和頻率有關(guān)。擬合函數(shù)的確定系數(shù)（R-square）為0.9939，擬合與實(shí)驗(yàn)一致性非常高，且信號能量與溫度的Pearson 相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.9755，負(fù)號表示信號能量與組織溫度呈負(fù)相關(guān)。

根據(jù)得到的信號能量與組織溫度的關(guān)系，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用熱電偶測量組織的溫度，并用得到的信號能量和公式(1)估計豬肉的溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖12 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱電偶的測量值基本一致，總的誤差范圍在0.01℃～3.95℃之間。

圖12 估計溫度值與熱電偶測量值

此方法的優(yōu)點(diǎn)在于不用建立熱平衡，縮減測量時間。關(guān)鍵在于快速將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，所以吸聲背襯的性能對實(shí)驗(yàn)效果有重要影響。吸聲特性也影響著測溫方法的耗時，吸聲系數(shù)越大，轉(zhuǎn)化成熱能越快，熱能也更集中與背襯表面，則熱釋電材料響應(yīng)得越快。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，熱釋電傳感器對不同溫度的測量值都較為穩(wěn)定，測量誤差在2.5%以內(nèi)，在臨床測溫中有著較大的潛力。

4 總結(jié)

針對新研制的醫(yī)用診療設(shè)備和醫(yī)用高強(qiáng)度超聲治療設(shè)備的性能校準(zhǔn)技術(shù)，研制相關(guān)的超聲聲場參數(shù)計量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置，形成對設(shè)備聲強(qiáng)分布、聲功率、聲壓波形綜合計量與檢測能力能夠服務(wù)相關(guān)醫(yī)院和生產(chǎn)企業(yè)。通過對超聲測溫的研究也可以在臨床中提高手術(shù)的成功率。后續(xù)研究開發(fā)覆蓋不同類型超聲設(shè)備的聲參數(shù)測試。最后建立我國的超聲設(shè)備的量值溯源和傳遞體系，保障了我國超聲設(shè)備發(fā)展，為更好地進(jìn)入國際市場提供準(zhǔn)確的計量和測試保障，具有的社會效益巨大。