医用超声诊疗类设备的声场检测方法

高申平 任慧燕 姚磊 俞醒言 王萧博 兰庆

摘要

在超声量的测量中，被测的基本量是声功率和声压及其时间、空间分布。针对医用诊疗类超声设备的声场参数特点，对该类设备声场的检测方法如：辐射压力法、光纤和光学检测法、水听器测量法进行综述，并对上述检测方法进行比较。

【关键词】超声 声场 测量

随着科学技术的发展，新的超声诊疗设备不断出现，它们的工作频率、強度和作用方式各不相同。与此同时，我国的超声治疗设备在肿瘤治疗方面正取得举世瞩目的成就，并推动了我国超声仪器设备的快速发展。为了提高诊断能力和加强超声治疗效果，超声诊疗类设备的强度正在不断增加，这也同时增加了使用超声设备的风险性，特别是高强度聚焦超声（HIFU）设备和体外震波碎石仪，在焦点附近汇聚着相当强的声波能量，使用不当会对人体组织造成永久性伤害。因此，为了保障使用该类设备的有效性和安全性，必须对该类超声医疗设备的超声声场分布进行研究，切实保证超声治疗类设备的安全和有效使用，为我国超声治疗设备的进一步发展和进入国际市场提供计量和测试保障。推动我国超声仪器设备研发的快速健康发展，更好地服务民生医疗。

1 声场参数

超声能量输出的实时监控是超声诊疗类临床应用的质量保证1。以医用诊疗类设备HIFU为例，该类超声设备的声场主要参数有：声功率、声强、声压、声焦域等。

而目前对其主要参数的检测方法包括：辐射压力法、量热法、光纤和光学检测法、水听器测量法等。

2 测量方法

2.1 辐射压力法

辐射压力法的典型代表是辐射力天平法（RFB法）2，也是国际社会公认的超声声功率检测的标准方法，其出现时间最早。如今该方法的测量体系己相当完善，在国内现己颁布了多个现行的国家标准。但RFB法并非尽善尽美，比如临床中使用的聚焦超声治疗头发出的功率都超过了30W，有的可以达到100W以上，辐射力天平的吸收靶吸收掉这些高强度声波的能量会转换为自身的热量，使得吸收靶的吸声系数降低影响测量的准确性，甚至出现永久性的热损伤和机械损。另外由于换能器的制作工艺等问题导致聚焦换能器的振元表面与理想的波阵面不同，即在形状上不完全是球面的一部分，因此就有一定的像差，又由于声波传播过程中的衍射效应，因此焦域内不存在一个理想的焦点。此时的焦点变得模糊，焦域内的声强降低，能量聚集程度降低，换能器的聚焦效果变差。此外，由于辐射力天平法仅能获得单一功率指标，无法判断聚焦换能器的聚焦效果，不利于医用治疗头的全面评价。

2.2 量热法

量热法的测量方法主要是当超声波入射到某声吸收液体时，超声波声能量转为该吸收液体的热能，该热能引起声吸收液体的温度升高或者体积变化，通过测量温度变化或体积变化得到该声吸收物质的吸收能量，然后根据辐射时间，得到该换能器的超声功率。目前，实际采用的声吸收液体主要是蓖麻油。

量热法是用来测量介质吸收多少的能量，特别是在一定质量介质中的温升，此时假定介质中的温度分布是一致的（或者至少变化一致）。如果介质的比热容已知，能量吸收值的表达式如（1）所示。

△J=MC△T（1）

其中，M介质的质量，M介质自身的比热容，△T是温升。

2006年，顾欣3采用热电偶测量蓖麻油靶子的温度变化，将多支热电偶分布在蓖麻油内，利用温度变化的量热法测量超声功率。盛有蓖麻油的靶子吸收超声声能后，通过热电偶分布测量蓖麻油内平均温度变化。但是，由于即使采用多支热电偶也不能完全反应靶子中的温度分布，因此测量的超声功率会比实际输入超声功率小;且热电偶测温的时间比较长，这样也就意味着在这段时间内有能量散失到容器或者外部环境中，因此测量结果存在较大偏出。

量热法的测量结果往往比实际功率值要低。量热法与辐射力天平法一样也仅能获得单一的功率指标，这不利于全面的评价医用超声探头的性能并且测量等待时间较长，效率较低。

2.3 光纤和光学检测法

光纤和光学检测法主要包括Reman-Nath4衍射声光法和激光干涉测量法，前者要求在高频超声非空化状态下测量，被测量的声束横截面应在换能器的标准测试距离即近场场度之内，并保证平面波近似条件的满足，测试条件很苛刻;后者是通过测定辐射声源的表面位移振幅（或振速振幅），可以由测得的声源表面位移（振速）来确定辐射声功率，而且对整个辐射声场没有任何干扰。据此原理，同济大学设计了实验系统，实验结果表明在测量低频大功率超声换能器表面振速5时，该方法是一种行之有效的途径。但不足之处在于其所测量的插入式增幅杆超声换能器被近似为无幕的活塞辐射，但对于其他形式的超声换能器还需从理论上作进一步研究。此外，光学法的这种特性决定了上述方法不适用于便携式现场测量。通过上海交通大学研制的声光功率计和中国计量科学研究院的辐射力功率计进行比对，两者相对偏差不到±10%。

2.4 水听器测量法

水听器测量法也称为声场扫描积分法，主要是使用水听器对脉冲波或者连续正弦波声场的声压进行测量。这种测量方法的不足之处在于对实验设备要求较高，计算公式较其他方法复杂，积分计算必须借助计算机辅助软件才能实现。这种方法可以测得超声声场中多个参数，能够较为全面地反映超声信号在声场中的特点，采用该方法来评定医用治疗头比用仅能获得单一功率指标的辐射力天平法更加合理和全面。因此，该方法已经成为近十年来国内外该领域研究的焦点和发展方向，进而水听器的设计和制作就成为了水声界研究的热点。国外对水听器的研究较早，美国的ONDA公司生产的水听器品种众多且知名度很高。通过三维运动机构和水听器的配合可实现声场的实时测量。

国内比较著名的水听器法测量声场分布系统由上海交通大学自主研发，该校首先自主研发了性能卓越，具有国际先进水平PVDF高频水听器，在此水听器的基础上又自主研制具有11个自由度的SJTU-1型医用超声诊断7设备声输出测量系统，

3 测量方法比较

针对以上四种检测方法，对其优缺点进行讨论和比较如表1所示。

4 讨论及展望

针对本文讨论的四种对医用超声诊疗类设备声场参数的测量方法，给出了各类方法的优点和缺点。目前超声治疗设备的校准技术发展，已不能满足国内超声相关企业的校准需求，更不能满足医用超声、高端装备制造等行业的发展需求，严重制约了相关产业的发展。因此，需要研究新型的诊疗设备和高强度超声治疗设备的校准技术，研制相关的声场参数测量和校准标准装置，建立完善该类设备的计量校准能力，为相关医疗领域的厂家、用户和使用单位提供更准确更安全的技术服务。

（通讯作者：姚磊）

参考文献

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