基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统

刘 阳 谭坚文,2 曾德平,* 钟志明 陈志聪

1(重庆医科大学生物医学工程学院，省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室，重庆市生物医学工程学重点实验室，重庆市微无创医学协同创新中心，重庆 400016)2(重庆通信学院，重庆 400035)3(超声医疗国家工程研究中心，重庆 401121)

基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统

刘 阳1谭坚文1,2曾德平1,3*钟志明1陈志聪3

1(重庆医科大学生物医学工程学院，省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室，重庆市生物医学工程学重点实验室，重庆市微无创医学协同创新中心，重庆 400016)2(重庆通信学院，重庆 400035)3(超声医疗国家工程研究中心，重庆 401121)

聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件，电声转换效率是衡量其性能重要指标之一，实际工作中常以电声转换特性来确定治疗系统的工作频率和驱动参数，这对其测试系统的准确性、效率和便捷性提出很高的要求。为此，构建一套自动测试系统，采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率；运用辐射力天平测量换能器输出声功率；基于虚拟仪器技术开发上位机自动测试软件，实时采集和处理测量数据。基于所开发的自动测试系统，测试换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率，采用变异系数对系统的稳定性进行分析，并与人工测试方法作对照。结果表明，测试系统具有较好的准确性，且单次测试时间可缩短5倍以上，在驱动功率分别为10、20和30 W情况下，自动测试系统(变异系数分别为4.06%、4.31%、4.65%)比人工测试(变异系数分别为4.14%、4.69%、5.83%)更稳定，满足测试系统应用需求。

聚焦超声换能器；自动测试；电声转换效率；虚拟仪器技术

引言

高强度聚焦超声(HIFU)治疗是近年来在国内外备受关注的非侵入性治疗新技术[1]，目前在子宫肌瘤、肝脏肿瘤和肾脏肿瘤等适应症中得到了越来越广泛的应用[2-4]，并日益突显出其靶向性、无创性和无电离辐射等优势。除肿瘤组织消融外，基于小功率聚焦超声的治疗设备也逐渐应用于宫颈炎、鼻炎和软组织损伤等病变的治疗中[5-7]，展现出了较好的应用前景。聚焦超声换能器是超声治疗系统的核心部件，它的特性直接决定治疗设备参数、输出声功率和治疗时间，进而直接影响到治疗效果和安全性[8- 9]。电声转换效率是反映换能器输出声功率、换能器工作能力的基本电声参数，是超声治疗系统研究临床应用需关注的重要指标。

根据超声换能器特性测量国际标准[10- 11]，电声转换效率通过计算换能器输出声功率与输入电功率的百分比来确定。输入电功率可采用电功率计法或直接获取换能器两端电压电流的阻抗法进行测量，输出声功率则通常采用辐射力天平法测量。国内外研究人员对超声换能器电声转换效率的测量进行了多方面的研究工作。文献[12- 14]分别采用函数发生器产生驱动信号，经过功率放大器放大后驱动超声换能器，通过示波器测量换能器电压和电流信号的方式得到输入电功率。这种测量方式类似于阻抗法，其测量精度高，但测量系统构成复杂，且易受驱动功率信号和电磁噪声的干扰。文献[15- 16]利用电功率计法有效地解决了上述问题，同时运用辐射力天平测量了换能器工作在谐振点时的输出声功率，从而得到其电声转换效率。文献[17]在同样的测试方法下，采用扫频方式对换能器工作在一定频带范围内的电声效率进行了测试，并探究了在不同驱动功率下换能器于固定频率处电声效率的变化情况。

从声束聚焦和结构强度角度出发，聚焦超声换能器实际工作频率和电声转换效率将受加工工艺、封装结构的影响[18- 20]，因此在HIFU设备研制时，需对聚焦超声换能器电声转换特性进行逐个测量，以换能器实际的电声转换特性来确定HIFU治疗系统的工作频率和驱动参数。另外，在检测标准[10- 11]框架下，具体测量是基于手工测量，要得到换能器电声转换效率曲线，测试工作量非常大。鉴于此，笔者基于虚拟仪器技术，构建了一套聚焦超声换能器电声转换效率测量系统，采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率、辐射力天平测量换能器的输出声功率。测量系统采用图形化开发环境LabVIEW，基于虚拟仪器技术开发上位机程序，并通过串口等通信协议，将信号发生器、电功率计和声功率计等测量仪器联系起来，实时采集和处理测量数据，并完成数据的分析和计算，获得换能器的电声转换效率，实现了聚焦超声换能器电声转换效率的快速自动测试，提高了测试的效率和便捷性。

1 原理

1.1 基于声辐射力天平的声功率测试原理

根据国际电工委员会(IEC)发布的超声换能器测量相关标准IEC 62555—2013[11]，聚焦超声换能器的输出声功率通过测量其声辐射力来获得，声辐射力测量的基本方法为采用带吸收靶的辐射力天平法，本研究按该标准采用辐射力天平来测量换能器的输出声功率。辐射力天平根据Langevin辐射压力原理[8]，通过吸收靶将超声声压转换为机械压力，由天平测得靶上所受力F，得到声传播方向的辐射力。它要求吸收声靶的面积远大于换能器输出声束面积，并确保声束在水中垂直入射至吸收靶上，且声源与靶的距离d应为声焦距Fpress的0.7倍。换能器的输出声功率由下式[21]计算得到，有

(1)

式中：F为声辐射力；c为水中的声速；β为换能器的聚焦(半)角，β=arcsin(a/Fpress)，a为换能器的有效半径；α为水中的吸收系数；d为靶距。

1.2 基于定向耦合器的电功率测量原理

根据IEC发布的超声换能器特性，测量相关国际标准IEC 1088—2001[10]，换能器的输入电功率可采用阻抗法或电功率计法进行测量。阻抗法通过测量正弦波驱动下换能器两端电压信号Vt和电流信号It，由VtItcosφ得到驱动电功率Pe。电功率计法则采用定向耦合器，将电功率传输给换能器，耦合器对前向电功率Pfrd和反向电功率Pref进行取样，功率计通过定向耦合器的取样输出，计算出换能器获得的实际驱动电功率Pe=Pfrd-Pref。由于阻抗法要求准确测量高频驱动信号的幅值和相位，对测量系统的采样频率和精度要求较高，导致测量系统构成复杂，且抗干扰性较低。本研究采用电功率计法，测量换能器的输入电功率。

电功率计法中的定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件，由直通线和耦合线组合成为四端口器件，直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制，将直通线前向传输和反向传输功率中的一部分耦合至耦合线中[22]。通过对耦合线中的耦合电压进行检波，即可得到功率传输中的前向传输和反向传输(反射)功率。考虑到超声换能器工作频率在20 MHz以下，本研究采用基于Tandem Match电路的定向耦合器进行换能器驱动功率的耦合与测量，其等效电路如图1所示。其中，T1和T2为耦合变压器，IN、OUT分别表示驱动功率的输入端和负载端，FRD和REF分别表示前向电功率测量端和反向电功率测量端。

图1 定向耦合器等效电路Fig.1 The equivalent circuit of the directional coupler

利用由辐射力天平测得的换能器输出声功率Pa，以及由电功率计测得的前向电功率Pfrd和反向电功率Pref，可通过下式计算得到换能器的电声转换效率ηea，即

(2)

2 方法

2.1 自动测试系统描述

本研究提出基于虚拟仪器技术进行电声转换效率自动测试的方法，将电声转换效率测试相关仪器设备通过计算机协议进行通信与控制，采用NI公司的LabVIEW[23- 24]构建一套超声换能器电声转换效率自动测试系统，主要包括硬件和软件两大部分，其中硬件部分指的是与电声特性测量相关的仪器设备，软件部分则为基于LabVIEW开发的上位机测试程序。

系统硬件组成如图2所示，它由函数发生器、功率放大器、定向耦合器、电功率计、计算机和辐射力天平构成，电功率驱动与测量设备均要求在20 kHz～20 MHz的宽频带范围内工作，以保证换能器电声转换效率的测试带宽。电功率计的采样频率可达1 000 kS/s，分辨率为10 bit，可实时监测换能器工作过程中前向和反向电驱动功率的微弱瞬态波动。具体的仪器设备型号在表1中列出。

图2 换能器电声转换效率自动测试系统组成Fig.2 Schematic of the automatic test system for electro- acoustic conversion efficiency of transducer

在进行测试时，通过计算机上位机软件设置测量频带、驱动电功率大小和扫频步进等相关参数，并将其发送至函数发生器，产生激励信号，再经功率放大器放大，产生电功率驱动信号，并通过定向耦合器施加在待测超声换能器两端，输出声功率。

表1 自动测试系统相关仪器设备Tab.1 The equipment of automatic test system

电功率计和声功率计分别监测换能器的驱动电功率和输出声功率，并将相应的测量结果通过通信协议上传至计算机，最后由上位机程序对测试数据进行处理与分析。图3为所构建的换能器电声转换效率自动测试系统实物。

图3 换能器电声转换效率自动测试系统实物Fig.3 The automatic test system for electro- acoustic conversion efficiency of transducer

上位机程序由基于虚拟仪器技术的图形化语言LabVIEW开发，图4为开发的上位机测试软件系统框图。测试软件主要包含测量信息录入、参数设置、特性测试、数据采集与处理和系统维护五部分功能。图5为自动测试软件的人机交互界面，测试时可通过操控界面进行参数设置与测试控制，处理与分析所采集的数据，并实时显示与保存测试曲线。通过与生产流水线的集成，可实现超声换能器电声转换效率的全自动流水线测试，满足HIFU治疗设备大规模批量化生产的需求。

图4 测控系统软件结构Fig.4 The software structure of measurement and control system

图5 系统图形控制与显示界面Fig.5 The interface of system graphical control and display

2.2 数据采集、处理和测试

2.2.1 数据采集

在对超声换能器电声转换效率进行测试时，其输出声功率的测量经常会遇到辐射力天平读数不稳定的问题[21]。为此，该系统采用并行方式，其中声功率计串口程序采用判断结构，自动判断是否接收稳定数据，从而减少换能器开始发射到完成天平读数的单次测量时间，进而降低吸收靶表面气泡的附着几率和脱气水的温升速率，故可减小由这两者所带来的测量误差。电功率计串口程序则采用循环结构，实时接收有效数据，同时可通过修改各串口读取字节数来获取不同精度的数据，最高精度可达万分位。

2.2.2 数据处理

在电功率计与计算机进行测量通信时，同时获取换能器的前向与反向电功率，需采用上位机对其进行拆分处理，先将数据串转化为字符串，运用拆分函数将其拆分为两个字符串，然后将其转换为双精度的二维数组进行保存。采用索引函数一一提取出进行数值计算，最后将所得数据进行动态显示和实时保存。

LabVIEW提供了多种数据图形显示控件，其中使用最多的是波形图。该控件提供现成框架，不需要额外代码，仅通过修改部分属性即可实现多模式显示，但它也存在一定局限性，即只适用于横坐标为时间的波形显示。为此，本研究采用XY图控件，通过捆绑函数，灵活地改变波形显示的X、Y变量，同时选择条件结构，利用布尔变量动态控制波形显示，调用XY图控件节点实现波形的保存。图6为系统数据采集与处理流程。

图6 系统数据采集与处理流程 Fig.6 Flow chart of system data acquisition and processing

2.2.3 测试模式

利用上述系统程序，可以方便、快捷地获取超声换能器在固定频率和驱动功率下的电声转换效率。通过设置上位机中信号源参数，便可产生不同的测试模式：一是设置系统界面中信号源起始频率、扫描步进和测量数据量，可获得不同频率下的超声换能器电声转换效率；二是设置系统界面中信号源幅值、起始频率、扫描步进和测量数据量，可获得不同驱动功率下的超声换能器电声转换效率。

2.3 测试系统性能验证

3 结果

3.1 不同频率下聚焦超声换能器电声转换效率

图7为聚焦超声换能器(焦距为15 mm，开口半径为8 mm)电声转换效率的人工与自动测试结果对比波形，从中可以看出两种测试结果吻合良好。但在测量耗时方面，人工测量大约需时110 min，数据处理需10 min，而自动测试只需17 min。因此，该测试系统可以很好地解决换能器电声特性测试工作量大的问题。

图7 自动测量与人工测量对比Fig.7 Contrast between automatic measurement and manual measurement

3.2 不同功率下聚焦超声换能器电声转换效率

对换能器在不同驱动功率下的电声转换效率分别进行10次测量，并取平均值，测量结果如图8所示。由该结果可见，在不同驱动电功率下，换能器的电声转换效率曲线基本一致，这表明在一定驱动功率范围内，换能器的电声转换效率变化较小。如选择电声转换效率下降至最大值的90%作为换能器有效工作频带的评判标准，则该换能器的有效工作频带超过1 MHz，为9.3～10.4 MHz，且在该频带内其电声转换效率波动较小。

图8 不同驱动功率换能器电声转换效率Fig.8 The electro- acoustic conversion efficiency and reflectance of transducer under different driving electric power

3.3 变异系数

以测量数据的变异系数来衡量人工测试和自动测试两种测量方法的稳定性，实验结果如表2所示。在激励信号10 W的情况下，人工测试和自动测试的变异系数均最小，分别为4.14%和4.06%，且测量结果接近。整体上看，自动测试的变异系数均比人工测试的变异系数小，且随着驱动功率增加，两种测试方法的变异系数均增大，但人工测试结果的波动更大。

表2 不同驱动功率下手工测试与自动测试的变异系数

Tab.2 Coefficient of variation between manual test and automatic test under different driving power

10W(n=10)20W(n=10)30W(n=10)手工测试4.14%4.69%5.83%自动测试4.06%4.31%4.65%

4 讨论

本课题以传统人工测试方法为对照，研究了聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统的准确性和稳定性。

在自动测试系统准确性方面，本研究依据国际标准[10-11]搭建自动测量平台，对换能器电声转换效率进行测试。图7中的所测结果与人工测试结果吻合良好，验证了本系统的准确性。同时，图7中两种测试方法的所测数据均存在一定程度的波动，这可能与辐射力天平读数不稳定有关。寿文德等认为，在小驱动功率和大驱动功率情形下，辐射力天平读数存在不稳定现象，会对换能器电声转换效率测试结果产生影响[14, 21]。影响辐射力天平读数不稳定的因素有驱动功率、换能器工作时长和水质[21]。传统的人工测试方法可以控制驱动功率和水质，减小辐射力天平读数不稳定的影响，但单次测量时间受人主观意识影响较大。而本自动测量系统，由于提高了数据采集和处理能力，测量时间大大缩短，人工测试大约需时110 min，而自动测试只需17 min。单次测量时间的减小，有利于提高辐射力天平读数的稳定性，减小测量误差[11]。

利用本测试系统，获取不同驱动功率情况下换能器电声转换效率，由图8可知其变化情况基本一致，这说明在30 W以内的驱动功率下，本测试系统的稳定性较好。本研究采用变异系数来衡量测量方法的稳定性，在驱动功率为10、20、30 W情况下，自动测量的变异系数好于人工测量。分析原因，主要是由于单次测试时间短，吸收靶表面气泡的附着几率较低，脱气水的温升也较小。因此，缩短测量时间是提高测量稳定性的有效途径。值得注意的是，在低驱动功率(10 W)情况下两者的变异系数相近，而在大驱动功率情况下则相差较大，这进一步说明自动测试系统提高了测量的稳定性。

5 结论

本研究构建了基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率测量系统。运用该系统，在不同频率和驱动功率下，对超声换能器的电声转换效率实现了准确有效的测量。相比于人工测试，自动测试方便、快捷，单次测试时间缩短了5倍以上，且稳定性更好，在驱动功率由10 W增至30 W情况下，其变异系数仅增加了15%，远低于人工测试变异系数41%的增量。故该方法的建立，方便换能器电声转换效率的快速准确测量，对换能器最佳工作频率的选取具有重要指导意义，对换能器实际的生产检测具有较好的应用与推广价值。

本研究目前仅对中小功率的换能器电声转换效率自动测试系统的有效性进行了验证，而系统设计的最终目的在于自动测量多种聚焦超声换能器电声转换特性，减少测试时间与工作量，同时为HIFU治疗设备研发提供测量平台。因此，下一步将研究本测量系统对大功率超声换能器测量的适应性。

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Automatic Test System for Electro- Acoustic Conversion Efficiency of Focused Ultrasonic Transducer Based on Virtual Instrumentation Technology

Liu Yang1Tan Jianwen1,2Zeng Deping1,3*Zhong Zhiming1Chen Zhicong3

1(Key Laboratory of Ultrasound Engineering in Medicine Co- Founded by Chongqing and the Ministry of Science and Technology, College of Biomedical Engineering, Chongqing Key Laboratory of Biomedical Engineering, Chongqing Medical University, Chongqing Collaborative Innovation Center for Minimally- invasive and Noninvasive Medicine, Chongqing 400016, China)2(Chongqing Communication Institute, Chongqing 400035, China)3(National Engineering Research Center of Ultrasound Medicine, Chongqing 401121, China)

Focused ultrasound transducer is the core of ultrasound therapy device, and the electro- acoustic conversion efficiency is one of the most important indexes to evaluate the performance of the transducer. In practical working conditions, the electro- acoustic conversion characteristic is often used to determine the operating frequency and driving parameters of therapy system. Therefore, the high accuracy, efficiency and convenience of the electro- acoustic conversion characteristics test system are needed. To solve this problem, an automatic test system was constructed in this work. The electrical power meter based on directional couplers was used to measure the input electrical power of the transducer. The acoustic output power of the transducer was measured by radiation force balance. The automatic test software on master computer was developed based on virtual instrumentation technology. It can collect and process the measured data in real time. Based on the developed automatic test system, the electro- acoustic conversion efficiency of a transducer was tested at different frequencies and driving power. The stability of the system was analyzed by the coefficient of variation and compared with the manual test. The results showed that the test system had good accuracy, the single test time was shortened more than 5 times. Under the driving power of 10 W, 20 W and 30 W, the automatic test system (the variable coefficient were 4.06%, 4.31%, 4.65%) was more stable than that manual test (the variable coefficient were 4.14%, 4.69%, 5.83%, respectively), which met the application requirements of the test system.

focused ultrasonic transducer; automatic testing; electro- acoustic conversion efficiency; virtual instrument technology

10.3969/j.issn.0258- 8021. 2017. 03.009

2016-07-26， 录用日期:2017-01-18

国家自然科学基金(81501615,11574039)； 国家重大科学仪器设备研制专项(81127901)

R318

A

0258- 8021(2017) 03- 0322- 07

*通信作者(Corresponding author)，E- mail: zengdp@haifu.com.cn