医用超声设备检定参数分析与方法探讨

2014-05-14蒋君杰刘梦军董新宇

天津科技 2014年3期

关键词：分辨力换能器盲区

蒋君杰，刘梦军，范颖，董新宇

(天津市计量监督检测科学研究院天津 300192)

1 超声安全

超声与生物组织相互作用可产生热效应，影响细胞的正常功能，从而造成结构上的损害。随着超声诊断设备的广泛应用，特别是对孕妇照射的明显增多，人们越来越重视其潜在的危害性。

1.1 热效应(TI)与空化效应(MI)

1992年，美国超声医学会(AIUM)和国际电气制造业协会(NEMA)明确设定了输出显示标准(ODS)。在每项超声检查时，屏幕上会实时显示产生的生物学效应，即热效应(TI)值和空化效应(MI)值。这一水平的提高使得超声对生物组织的危害得到量化，其中产热指数 TI是换能器产生的声能(W)与使组织温度上升 1℃所需要的能量(Wdeg)之间的比值，机械指数MI定义为稀疏压力峰值(Pr)(负压)除以超声频率的平方根，如公式(1)、(2)所示：

产热指数公式：

计算机械指数公式：

1.2 操作模式及潜在危害

在超声设备的使用过程中，不同操作模式的能量输出和强度都存在较大差异。脉冲越长，能量越高，一般用于脉冲多普勒的脉冲重复频率，与 B型成像相比，会产生更高平均强度，因此产生生物学效应的潜在危险性很高，尤其是热效应。彩色血流成像和能量多普勒成像模式的产热效能介于 B型和频谱脉冲多普勒之间，表1为Henderson等于1997年整理的数据，我们可以看到使用脉冲多普勒模式时产生的能量最高。

表1 英国对于设备在临床应用中的研究数据Tab.1 Research data of ultrasonic equipments in clinical practices from UK

1.3 参数检定及使用准则

FDA超声规范允许的机械指数最大为 1.90，可用于除眼睛(最大为0.23)以外的所有检查，可用范围为0.05～1.90。英国医学超声学会(BMUS)于2000年颁布了对产热指数和机械指数的推荐指南，如表 2所示。

表2 BMUS关于MI和TI值的推荐指南Tab.2 Recommended guides for MI and TI values by BMUS

因此，设备使用者在扫描时应规律地检查设备的产热和机械指数，使这些指数尽可能低，无法降低时，则保证检查时间尽可能短。作为超声设备的检定人员，应该对超声设备的 TI、MI和 ISPTA值进行可靠的测量和计算，实现量值统一，以提醒设备使用者通过最小化暴露时间和暴露强度将可能的危害最小化。

2 成像性能检测及质量保证

2.1 检测模型选择

理想的检测模型应与人体软组织有相似的声学特性，模型材料具有以下 3个特点：①声音传播速度为 1,540,m/s；②衰减程度为 0.5～0.8,dB/(cm·MHz)；③扩散性质与软组织产生的回波类似。模型中含有不同的结构和靶点，能被用于检测一个范围内的成像参数。图 1显示了常用检测模型的靶点和结构排列，包括检测图像分辨力的线条安排，检测标刻精确度的垂直线组和水平线组，囊性病灶的直径误差以及盲区的检测。

图1 常用检测模型的典型布置Fig.1 Typical arrangement of a normal detection model

在一定范围内的频率和深度下，需要使用不同的换能器，因此也要选择不同的超声模型。如果使用低频换能器(2～5,MHz)来检测，那么选择相对较大的检测模型，一般需要大约 15,cm的厚度。对于高频换能器(7～12,MHz)，声束穿透距离较小但分辨力较高，就要选择相对小结构的模型进行评估和计算。

2.2 检测测量精确度

超声设备使用电子测径仪对结构进行测量，在冻结的B型图像上计算直线距离、周长及面积。检定人员通过使用合适的体模就能容易地检测诊断性超声系统的测量精确度，包括垂直距离测量(见图 2)和水平距离测量(见图 3)以及囊性病灶的直径测量(见图4)。使用电子测径仪测量已知距离的靶点间隔，将测量结果与实际距离进行比较，利用公式3计算误差百分比：

图2 垂直距离的测量Fig.2 Measurement of vertical distance

图3 水平距离的测量Fig.3 Measurement of horizontal distance

图4 囊性病灶直径测量Fig.4 Diameter measurement of cystic focus

2.3 检测盲区

盲区是设备在该探头下所能测得的最浅距离，盲区的检测可以避免医生错过人体的浅层病灶，影响治疗。将设备在近场聚焦，读取盲区靶群中最浅靶线所在深度，即为该设备配用该探头时的盲区，如图 5所示。

图5 盲区的测量Fig.5 Measurement of non-detection zone(s)

2.4 检测图像分辨力

图像分辨力，常被提及为空间分辨力，在扫查线上被分为两个主要部分：轴向分辨力和侧向分辨力，是衡量医用超声诊断仪图像质量好坏的重要参数。有两种检测方法来测量轴向和侧向分辨力：物体隔离法和单点法。目前大部分使用的是物体隔离法，检测模型中包含一组不同深度的靶点用于评估轴向和侧向分辨力，读取纵向及横向靶群图像中可以分辨的最小距离，即为仪器在配备该探头时的纵向和横向分辨力。如图 6所示，纵向分辨力一般优于横向分辨力。这种技术方法在日常检定中有一定的缺点，检测模型中靶点的空间测量值有限，最主要的是很多时候我们难以决定这对靶点是否能分辨。

单线法则可以选择靶线上的任何位点，在对应换能器近场、中场和远场区域内测量不同深度单个靶点的长度和宽度，间接评价轴向和侧向分辨力，使用单线法时，利用仪器局部放大功能、放大靶点图像，确保测量误差最小。这种方法的主要缺点是有时会难以界定这些模糊靶点的边界，如图 7、8所示，因此在检测模型的设计中应融合两种方法，让检定人员有多种选择，提高测量的精确度。

图6 检测模型在特定深度评估轴向和侧向分辨力的图像Fig.6 Image of resolution assessment along both axial and side directions at specific depth

图7 使用单线法评估轴向分辨力Fig.7 Assessment of resolution at axial direction by singlestrand method

图8 使用单线法评估侧向分辨力Fig.8 Assessment of resolution at side direction by singlestrand method

2.5 检测穿透深度

穿透深度，即所谓的敏感性，临床上由于超声声束在传播过程中发生衰减，来自深部组织微小结构的回波很弱，超声系统探测、显示并从背景噪声中鉴别出这些微弱回声的能力极其重要。依然使用检测模型，调节仪器以最大能量运行，并使用深部聚焦区设置获得最大穿透深度的距离，如图 9所示，然后使用电子测径仪确定并测量能够探测到的最深处的散射回波，并与背景电子噪声相鉴别。