超声经颅多普勒声输出功率测试方法的研究

【作 者】黄涛，王龙军

国家食品药品监督管理局湖北医疗器械质量监督检验中心，武汉市，430077

超声经颅多普勒声输出功率测试方法的研究

【作 者】黄涛，王龙军

国家食品药品监督管理局湖北医疗器械质量监督检验中心，武汉市，430077

该文介绍了如何快捷地利用水听器扫描法和脉冲序列理论相结合的方法测试和计算超声经颅多普勒声输出功率，然后论证了水听器扫描法和脉冲序列理论相结合的方法的可行性，以及具体的推导和计算超声经颅多普勒声输出功率的方法。

超声经颅多普勒；水听器；脉冲序列理论；声输出功率

0 引言

超声经颅多普勒（Transcranial Doppler, TCD）是利用超声多普勒效应检测颅内动脉环上各个主要动脉血流动力学生理参数的一种无创检测方法[1]。目前的TCD检测仪器主要分为两种：脉冲波多普勒（Plused Wave Doppler，PW）和连续波多普勒（Continuous Wave Doppler，CW）[2]。不同工作方式的超声经颅多普勒控制声输出功率的参数也是不一样的，对于脉冲波多普勒来说，改变发射功率，采样容积以及血流速度都可以改变声输出功率；对于连续波多普勒来说，相对较为简单，只有发射功率来控制声输出功率。不管是脉冲波多普勒还是连续波多普勒，现有的机器配置的声输出功率的动态范围都比较大，控制参数设置不同，声输出功率可以从几十微瓦到几百毫瓦。

目前采用毫瓦功率计（测量范围：0～100 mW）和声辐射力天平（测量范围：0～30 W）来测量超声经颅多普勒声输出功率，对于低功率下两者均不能满足测量要求，同时在较高声输出功率条件下，虽能够测量，但是非常耗时，由于发射功率、采样容积以及血流速度多种因素的影响下，如何快捷、可靠地评价出每一种设置下超声经颅多普勒声输出功率的大小，以及遵守国际ALARA（As Low As Reasonably Achievable）公约[3]，就显得格外的重要。基于这个问题，提出水听器扫描法和脉冲序列理论相结合的方法来快速计算出超声经颅多普勒声输出功率。

1 研究方法的可行性分析

目前超声经颅多普勒机器控制声输出功率主要的途径有以下几点：一是功率设置，通过调节机器的功率输出，改变输出脉冲的幅度；二是流速的设置，改变机器输出脉冲的重复周期；三是采样容积的设置，改变机器输出脉冲的持续时间[4]。对于现有的脉冲波多普勒机器来说，影响声输出功率的因素可以归纳为以上三点；连续波多普勒机器仅与第一点有关。

基于对超声经颅多普勒声输出控制参数的分析，通过水听器扫描来计算出声输出功率。使用水听器计算功率如下式所示：

式中，P为输出功率，I为空间峰值时间平均声强，S为探头在声场的空间分布区域。空间峰值时间平均声强I又可由下式所示：

由(2)和(3)式可继续推导出空间峰值时间平均声强为：

式中，ρ为媒介的密度，c为声在媒介中的传播速度，U为换能器发射出来经水听器转换电信号幅值，ML为水听器相应频率下的灵敏度响应级数，T为脉冲重复周期，t为脉冲的持续时间。由以上公式推导则可以得到输出功率P为[5]：

基于上述的理论分析，对于超声经颅多普勒声输出功率与发射功率、采样容积以及流速存在以下的关系：流速和采样容积一定的情况下，发射功率只改变发射电压幅值，则通过(5)式得出超声经颅多普勒声输出功率与机器的发射电压的平方成线性关系；发射功率与采样容积一定的情况下，流速只改变脉冲的重复周期，同理得出超声经颅多普勒声输出功率与脉冲重复周期的倒数成线性关系；发射功率和流速一定的情况下，采样容积改变脉冲的持续时间即脉冲声压有效值，同样根据(5)式可得出超声经颅多普勒声输出功率与采样容积成线性关系。

2 声输出功率实验测量系统

2.1 声输出发射模块

目前超声经颅多普勒机器中，无法自由调节发射功率、采样容积以及流速的数值，为了更好地验证文中推论，采用超声信号发生器激励单阵元探头，模拟出超声经颅多普勒发射信号。发射模块的装置图如图1所示。

图1 发射模块Fig.1 Transmitter module

其中任意信号发生器使用的Tektronix的AFG3052C。它具有50 MHz的频带输出，同时具有各种发射波形设置，可自由设置发射波形的幅度，脉冲个数以及脉冲重复周期。传感器使用的是奥利巴斯单阵元探头，中心频率为2.25 MHz。两者配合使用可以很好地满足测试需求。

2.2 声强测量系统

本实验所使用的声强测量系统由ONDA公司生产的AIMS III声强测量系统和HNR-1594水听器构成[6]。结合相应的Soniq软件，可实时进行声场绘图，自动完成声输出功率的测量。两者实物图如图2和图3所示。

图3 HNR-1594水听器Fig.3 HNR-1594 hydrophone

将模拟发射模块与声强测量系统连接在一起，搭建整个超声经颅多普勒声输出功率测试平台[7]。实验中的测量平台如图4所示。

图4 声强测量平台Fig.4 The platform of ultrasonic intensity measurement

根据前文理论的分析，控制单一变量，对影响声输出功率的三个因素逐一改变，得出相应测量结果。

3 测量结果

根据上述方法，根据测试平台，连接好对应的仪器，通过声强测量系统获取换能器的发射波形如图5所示。信号发生器设置：峰峰值10 VPP，发射脉冲频率2.25 MHz，脉冲个数10个。

图5 换能器发射波形Fig.5 Transmitted waveform

图6 函数发生器发射波形Fig.6 Generator transmitted waveform

通过声强系统捕捉到发射波形并用软件计算得出换能器在其中心频率下工作，水听器得到发射波形稳定，与现有超声经颅多普勒发射信号一致，达到模拟发射信号的基准，可进行后续的实验。

3.1 改变发射功率

在流速和采样容积一定的情况下，改变发射功率即改变发射波形电压幅值。通过（5）式得出，声输出功率与发射电压的平方成线性关系，根据这样的关系，在已知一个电压值下的超声经颅多普勒声输出功率能够依次计算出其他发射电压下声功率值。数据结果见表1所示。

由表1的数据结果中可以看出，换能器激励电压在10 VPP到5 VPP时，利用水听器扫描和脉冲序列理论相结合的方法推算不同激励电压下声功率具有可靠性。在激励电压低于5 VPP以后，误差较大，考虑到换能器在低于5 VPP下电转声的效率以及整机控制部分的匹配的关系[8]，导致误差较大。

表1 测试数据结果Tab.1 Measurement data

3.2 改变流速

在采样容积和发射功率一定的情况下，改变流速范围即改变发射脉冲的重复周期。由理论推导可知，声输出功率与脉冲重复周期的倒数成线性关系。同理，在已知一个重复周期下超声经颅多普勒声输出功率便可计算出其他脉冲重复频率下的声输出功率。数据结果见表2所示。

表2 测试数据结果Tab.2 Measurement data

由表2结果明显的看出，基于水听器扫描和脉冲序列理论相结合的方法推算不同脉冲重复周期下超声经颅多普勒声输出功率与实际测试值具有很高的一致性。

3.3 改变采样容积

在流速和发射功率一定的情况下，改变采样容积即改变发射脉冲持续的时间。由上述结论可知超声经颅多普勒声输出功率与采样容积成线性关系。同样，在已知一个采样容积下超声经颅多普勒声输出功率便可计算其他采样容积下的声输出功率。数据结果见表3所示。

表3 测试数据结果Tab.3 Measurement data

由实验结果可以得出，基于水听器扫描和脉冲序列理论相结合的方法推算不同脉冲持续时间下超声经颅多普勒声输出功率与实际测试值也是完全可行的。

4 结论

通过上述分析，可以看出，基于水听器扫描和脉冲序列理论相结合的方法来计算超声经颅多普勒声输出功率，不仅解决了低功率下功率计不能测试声输出功率问题，同时也大大缩短了超声经颅多普勒声输出功率测试时间。这对于企业来说能够很好地利用相应的结论进行机器机械指数和热指数计算显示，同时对于检测机构来说，减少了大量的测试工作。具有很强的可行性和操作性，在实际对比中，也具有很高的可靠性。

当然，在实际测量过程中，也存在一些问题。水听器的测试精度是本实验测量结果与稳定的关键，一旦基准偏离，那么通过理论推导出来的声输出功率也就没有意义了。

总之，基于水听器扫描和脉冲序列理论相结合的方法能够快速、有效地计算超声经颅多普勒声输出功率，为实际测试中提供一种新的思路。

[1] 郭万学. 超声医学[M]. 北京: 人民军医出版社, 2012.

[2] 高山, 黄家星. 经颅多普勒超声(TCD)的诊断技术与临床应用[M]. 北京: 中国协和医科大学出版社, 2004.

[3] Kollmann C，Haar G Ter，Doležal L，et al. Ultrasound output:thermal (TI) and mechanical (MI) Indices[J]. Ultraschall in Der Medizin, 2013, 34 (5) :422-434.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 16846-2008 医用超声诊断设备声输出公布要求[S].

[5] 寿文德, 周刚, 夏荣民, 等. SJTU-1型医用超声诊断设备声输出测量系统的研制 [J]. 应用声学, 2004, 23(2): 1-6.

[6] Hydrophone Handbook Datasheet [J]. ONDA, USA, 2015, 33.

[7] 国家技术监督局. GB/T 16540-1996声学在0.5～15 MHz频率范围内的超声声场特性及其测量水听器法[S].

[8] 林书玉. 超声换能器的原理及设计[M]. 北京：科学出版社,2004.

Study of Acoustic Output Power Measurement of Transcranial Doppler Diagnostic amp; Monitor System

【 Writers 】HUANG Tao, WANG Longjun
State Food and Drug Administration Hubei Center for Medical Devices Quality Supervision and Testing, Wuhan, 430077

The fundamental concept, measuring and calculating of Transcranial Doppler Diagnostic amp; Monitor System acoustic output power are introduced according to hydrophone scanning method and pulsing sequences principle. Then, the feasibility of the method is demonstrated. Finally, the detail calculating method of Transcranial Doppler Diagnostic amp;Monitor System has been derived.

ultrasonic transcranial doppler, hydrophone, pulsing sequences principle, acoustic output power

R197.39

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.06.015

1671-7104(2017)06-0446-04

2017-03-17

黄涛，E-mail: htao2010@126.com