賈龍洋，王龍辰，胡兵

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 超聲醫(yī)學(xué)科，上海 200233

引言

醫(yī)用超聲成像在疾病診斷中起著重要的作用，中國超聲檢查受益者眾多，隨著老年化社會的到來和二胎政策的試行，對超聲檢查的需求逐年遞增。根據(jù)2018 年全國醫(yī)療設(shè)備行業(yè)報告，中國2018 年超聲設(shè)備產(chǎn)品市場保有量達(dá)到23000 余臺，且這一數(shù)據(jù)仍在不斷增長。

超聲探頭在超聲診斷設(shè)備中占據(jù)重要地位，被稱為超聲診斷儀的“眼睛”，其作用是將高頻電信號轉(zhuǎn)換為超聲信號，再將人體組織反射回來的超聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，其性能直接影響超聲診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性[1-2]。超聲探頭精密度高，由于與受檢者接觸最為頻繁，使用過程中維護、保養(yǎng)不當(dāng)，易造成探頭性能下降甚至損壞[3]。然而，探頭故障初期，往往從圖像上不易被察覺，使用者在不知情的情況下繼續(xù)使用會導(dǎo)致誤診、漏診的概率增加。另外這些故障如能及早發(fā)現(xiàn)，可進行修復(fù)，避免更換新探頭。因此為了保證診斷的可靠性，延長探頭使用壽命及降低維修成本，對超聲探頭的日常性能檢測至關(guān)重要[4-10]。

目前國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)每年會對在用診斷超聲設(shè)備年檢，但都是基于超聲圖像或電性能進行的檢測，如圖像分辨力、探測深度、幾何誤差、盲區(qū)、漏電流等，未對探頭聲學(xué)性能進行測定[11-16]。國際上，F(xiàn)IRSTCALL 系統(tǒng)（Sonora Medical System，美國）可以對部分進口超聲廠家的探頭檢測[17]，但對于國產(chǎn)品牌的超聲產(chǎn)品沒有一套可行的檢測系統(tǒng)，本研究開發(fā)了一種操作簡單自動化的醫(yī)用超聲探頭聲學(xué)性能檢測系統(tǒng)，可在圖像暗道產(chǎn)生前檢測出某一探頭陣元靈敏度信號的衰減，實現(xiàn)對國產(chǎn)品牌超聲在內(nèi)的多個超聲型號探頭的故障進行預(yù)防性檢測。

1 檢測參數(shù)

系統(tǒng)主要對超聲探頭中心頻率、相對帶寬、相對脈沖回波靈敏度進行檢測，上述參數(shù)對圖像質(zhì)量、圖像暗道、彩色血流或多普勒靈敏度有直接影響。根據(jù)ISO10375:1997（E）[18]，YY/T 1142-2013[19]和JB/T 12466-2015[20]等相關(guān)指南檢測參數(shù)定義如下。

1.1 中心頻率和相對帶寬

對回波信號進行頻譜分析，得到的回波頻率響應(yīng)是中心頻率和相對帶寬的基礎(chǔ)。中心頻率f0為換能器頻響曲線中的幅值最高點對應(yīng)的頻率；相對帶寬BW為高、低端截止頻率的差值與中心頻率之比的百分?jǐn)?shù)，分別由公式(1)、(2)確定。

其中，f1和f2分別是相較于測出的回波最大幅度降低-6 dB 的回波幅度處的對應(yīng)的高、低端截止頻率。

1.2 相對脈沖回波電壓靈敏度

相對脈沖回波電壓靈敏度是度量探頭在脈沖回波模式下相應(yīng)介質(zhì)中電聲轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)。用示波器測出探頭上輸入的電壓峰－峰值Vin和反射波放大前的電壓峰－峰值Vout，根據(jù)式(3)可以計算出相對脈沖回波靈敏度SV。

2 測試系統(tǒng)

2.1 整體測試系統(tǒng)

本檢測系統(tǒng)采用脈沖回波法，系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，測試裝置包括：超聲脈沖收發(fā)器、帶寬不小于100 MHz 示波器、超聲探頭轉(zhuǎn)接設(shè)備、計算機、測試水槽、反射靶、夾具。

圖1 在用超聲探頭性能檢測系統(tǒng)示意圖

本測試系統(tǒng)使用超聲脈沖收發(fā)器產(chǎn)生窄脈沖電壓信號激勵被測探頭其中一個陣元發(fā)射超聲波至水槽中，超聲波垂直入射到反射靶表面，其第一反射波由被測探頭同一陣元接收，其回波電信號經(jīng)脈沖收發(fā)器放大，使用示波器采集從超聲脈沖收發(fā)器返回的波形數(shù)據(jù)，通過計算機抓取示波器數(shù)據(jù)并分析。

本測試系統(tǒng)支持全陣元測試，探頭轉(zhuǎn)接裝置信號切換網(wǎng)絡(luò)使用繼電器切換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)1 到128 通道的分時復(fù)用，信號切換轉(zhuǎn)接網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)接口轉(zhuǎn)接功能，用于適配所有探頭接口，并且針對128 陣元以上的探頭實現(xiàn)多路復(fù)用功能。

本測試系統(tǒng)可支持不同型號的超聲設(shè)備探頭。只需根據(jù)探頭接頭類型和針位圖制作轉(zhuǎn)接板，根據(jù)探頭形狀選擇反射靶，即可匹配整套測試系統(tǒng)測試。轉(zhuǎn)接板卡和反射靶也可多探頭共用。

夾具是操縱探頭運動和裝夾固定的結(jié)構(gòu)，為一體式結(jié)構(gòu)，分為探頭夾具和反射靶夾具，探頭夾具可以三維移動，俯仰方向角度和掃描方向角度變化，發(fā)射靶夾具可以豎直方向移動，方便大幅度調(diào)節(jié)靶距。

本測試系統(tǒng)操作簡單，軟件系統(tǒng)一鍵測試。

2.2 測試軟件

測試軟件對采樣數(shù)據(jù)FFT 變換后進行分析計算，確定探頭的中心頻率、高低端截止頻率、相對帶寬。測試軟件的界面如圖2 所示。測試界面主要分為四個區(qū)域。左上角區(qū)域為回波時域信號。右上角區(qū)域為FFT 變換分析的頻域信號。左下角區(qū)域包括通道配置、觸發(fā)配置、其他配置、波形信號。右下角區(qū)域包括參數(shù)配置、測試配置、測試結(jié)果。

圖2 在用診斷超聲探頭質(zhì)控系統(tǒng)測試界面

第一次使用該系統(tǒng)需在其他配置中配置示波器。在通道配置和觸發(fā)配置中已預(yù)設(shè)了示波器參數(shù)。測試超聲探頭之前，在參數(shù)配置中輸入被測探頭信息、脈沖收發(fā)器參數(shù)設(shè)置等基本測試信息。在測試設(shè)置中選擇被測探頭類型，對應(yīng)不同廠家的主機系統(tǒng)，不同類型的探頭對應(yīng)的探頭與主機的通道映射關(guān)系不同。

探頭測試時要先進行對準(zhǔn)微調(diào)，在測試模式中選擇“單陣元測試”，對探頭首、末及中心陣元進行測試，若三個陣元對應(yīng)采集時間（即測試深度）基本一致，且靈敏度無明顯差異，則對準(zhǔn)完成。對準(zhǔn)完成后即可進行全陣元測試，對探頭全部陣元依次自動檢測，測試過程中會實時顯示各陣元的回波時域、頻域圖像。測試結(jié)束后可查看各陣元的中心頻率、相對帶寬、相對脈沖回波電壓靈敏度數(shù)據(jù)，并可創(chuàng)建報表。

2.3 測試結(jié)果

測試報告如圖3 所示，為使用1 年的3.5 MHz 凸陣超聲探頭的測試結(jié)果，報告表頭會顯示參數(shù)配置中基本測試信息，各陣元的相對脈沖回波電壓靈敏度、中心頻率、相對帶寬以條形圖形式列出，分別對應(yīng)測試報告圖3 中的上、中、下三個條形圖圖表，每個測試參數(shù)圖表下方均列出平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差。相對脈沖回波電壓靈敏度條形圖中藍(lán)、綠、紅三條橫線分別對應(yīng)-15、-60、-75 dB。如果陣元相對脈沖回波電壓靈敏度SV 低于-75 dB,則該陣元對應(yīng)靈敏度條形線為紅色，如果靈敏度SV 大于-15 dB 則顯示為藍(lán)色，如靈敏度-75 dB＜SV＜-60 dB 則顯示為黃綠色。理論上每個陣元的相對脈沖回波電壓靈敏度應(yīng)相同，若靈敏度強度過低，如低于20%，則會對彩色和多普勒血流圖像質(zhì)量造成影響，圖3 所示測試探頭的相對脈沖回波電壓靈敏度均達(dá)標(biāo)。各陣元的中心頻率理論上也應(yīng)一致，測試中認(rèn)為中心頻率偏差的最大允許值為標(biāo)稱頻率的±10%，圖3 所示測試探頭80、92 陣元中心頻率分別為3.12、3.09 MHz，偏差分別為10.9%，11.7%。相對帶寬與超聲系統(tǒng)的總體動態(tài)范圍密切相關(guān)，一般超聲探頭帶寬高于60%，圖3 所示測試探頭80、92 陣元相對帶寬分別為42.41%，48.38%，低于60%。因此通過檢測，需要對該探頭80、92 陣元進行進一步檢查，結(jié)合電學(xué)檢測結(jié)果確定故障因素。

圖3 測試報告

3 總結(jié)

本研究運用頻域分析和可視化技術(shù)，基于超聲脈沖回波測試方法，開發(fā)了一套在用超聲診斷設(shè)備探頭性能檢測系統(tǒng)，并對主要檢測參數(shù)結(jié)果實現(xiàn)可視化，實現(xiàn)對超聲探頭的頻率特性評估和分析。該檢測系統(tǒng)解決了超聲探頭老化初始時從圖像質(zhì)量上不被察覺的難題，可用于在用探頭的日常質(zhì)量控制，進行預(yù)防性檢測，及早發(fā)現(xiàn)問題，更高效經(jīng)濟的修復(fù)探頭。該測試系統(tǒng)靈敏度高、操作簡便，普適性好，可作為超聲性能檢測評價的重要工具，結(jié)合圖像質(zhì)量檢測評價結(jié)果，為超聲性能全面綜合評價提供重要數(shù)據(jù)支撐。