交叉结构超声仿组织模体声速测量方法*

吴国光　李奇　陈上文



交叉结构超声仿组织模体声速测量方法*

吴国光1,2李奇2陈上文2

（1.广东省现代几何与力学计量技术重点实验室2.广东省计量科学研究院）

针对超声仿组织模体内部材料的声速测量问题，提出一种十字交叉结构的双探头发射接收声速测量方法。首先将超声脉冲发射接收仪的高压脉冲信号一分为二，同时驱动2个交叉分布的超声换能器，并在接收端通过2个接收换能器接收透射时间差；然后测得模体的长短边距离，计算得到材料的声速；最后通过搭建测量系统与验证实验。结果表明，该方法可提高声速测量的准确性与实用性。

交叉结构；仿组织模体；声速

0　引言

超声仿组织模体是检定医用超声诊断仪的重要设备，该模体腔内填充TM材料与尼龙靶线，可检测超声诊断仪的盲区、探测深度、分辨力和几何参数 等[1]。该模体对确保超声诊断仪的量值准确起到重要作用，但由于模体封闭在密闭外壳里，无法直接对内部材料的几何参数、声速等进行测量，模体的量值溯源问题始终未能很好解决。

目前，针对仿组织模体声速测量研究主要有：北京化工大学田旭等，采用脉冲取代法测量模体的声速，该方法采用有无样品的时间差计算声速，但并未考虑外壳封装带来的声速测量问题，因此不适用于封装模体的声速测量[2]；上海交通大学李国伟等，采用脉冲透射法测量模体的声速，主要针对模体材料测量，也未考虑封装问题[3]；以上研究与国标GB/T 15261−2008超声仿组织模体材料声学特性的测量方法一致[4]，主要针对无外壳封装的材料特性测量。但计量部门检定使用的模体都采用亚克力外壳封装，故国家质检总局于2016年发布实施了JJF 1556−2016超声仿组织模体校准规范[5]。其检测方法是脉冲透射法，采用示波器测量超声透射模体长边与短边的时间差，再结合模体长度信息换算出仿组织模体的声速。该方法采用一对超声换能器，在模体长边与短边分别进行2次时间测量，再相减得到时间差。在示波器中测量时间差难以选择测量点，同时采用2次测量较难提高测量精度。本文针对这些不足，提出一种双探头交叉分布、同时发射接收的方法。将换能器安装在十字交叉的滑动导轨上，只需一次测量即可获得时间差参数，减少时间测量误差与人为因素影响。同时在检测下一个模体时，也无需再重复调整探头位置，加快检测效率。

1　声速测量方法原理框图

交叉结构超声仿组织模体声速测量方法的原理框图如图1所示。

图1　交叉结构仿组织模体声速测量方法原理框图

该方法与传统测量方法的主要区别是增加了BNC三通接头、超声换能器3（发射）、超声换能器4（接收）和放大整形电路。超声脉冲发射接收仪的脉冲高压信号，通过BNC三通接头将驱动信号一分为二；超声换能器1和超声换能器3产生的超声信号通过超声仿组织模体后，分别由超声换能器2和超声换能器4接收，并转变为电信号；经过放大整形电路后，进入到示波器。由同步触发信号和放大整形后的脉冲信号测量得到时间信息；再通过游标卡尺测量得到模体的几何参数；计算得到超声仿组织模体内材料的声速。采用该方法测量声速，可直接测量时间差信号，同时将信号整形为脉冲信号，避免时间测量点选取受人为测量的影响。

2　声速测量方法计算过程

图1中，2对超声换能器以共轴方式布置在滑动导轨上，通过耦合剂分别贴合在超声仿组织模体外壳的长边与短边平面。2路超声信号经过模体后，由超声换能器2与超声换能器4接收转化为电信号，该信号经过放大整形电路后，整形为TTL电平的脉冲信号，与示波器连接。超声信号经过放大整形后的波形示意图如图2所示。

图2　接收信号放大整形后示意图

示波器采用外部触发源方式，将超声脉冲发射接收仪的同步触发信号作为外部触发源。通过示波器的测量功能，可测得2个脉冲的时间差（2−1）。与采用一对换能器传统方法不同的是，该方法的时间差只需要1次测量，并且是相对测量；而传统方法为了得到时间差，需要2次测量，第一次在模体的短边测量得到1−0，第二次则在长边测量，得到2−1，这2次测量值相减得到，同时相减也会引入测量误差。

为获得声速，还需测量仿组织模体的几何尺寸。被测对象超声仿组织模体的结构图（俯视）如图3所示。

图3　超声仿组织模体结构图（俯视）

通过游标卡尺测量得到上述参数后，计算超声仿组织模体的声速公式为

其中，V为超声仿组织模体内部材料的声速；1，2分别为模体的短边与长边长度；1，2分别为模体长边与短边的外壳壁厚；为2个接收信号脉冲的时间差。

当长边与短边外壳壁厚相等时，即1=2，式(1)可进一步简化为

3　声速测量系统搭建

采用型号为CTS-8077PR超声脉冲发射接收仪搭建的交叉结构超声仿组织模体声速测量系统如图4所示。其中超声换能器选用IP20，频率为1 MHz；示波器采用ZDS4034Plus；放大整形电路的放大器选用压控增益放大器VC810，可通过滑动电阻器调节放大倍数；整形电路采用高速比较器TLV 3501，其比较门限电压可调，可将放大后的超声信号整形为脉冲信号。

图4　交叉结构超声仿组织模体声速测量系统

4　实验结果与分析

为验证本文方法及系统的有效性，对一台型号为KS 107BD（L)的超声仿组织模体进行试验。模体在环境中长时间存放，可认为模体温度与环境温度一致，实验环境温度24.2℃。实验在短时间内完成，故不考虑温度波动影响。分别采用传统方法单路换能器交替测量与本文提出的交叉结构方法同时测量进行对比。

传统方法与本文方法接收信号波形分别如图5、图6所示。通过游标卡尺测量得到超声仿组织模体的几何参数：2=1= 8.35 mm；1= 66.62 mm；2= 201.14 mm。在示波器中测量得到时间信息，并根据式(1)计算得到该模体内部TM材料的声速，对比测量数据如表1所示。

图6　交叉结构超声仿组织模体声速测量方法接收信号波形图

表1　声速测量数据对比

从表1与式(1)可以看出，时间测量准确性对模体内部材料声速测量非常重要。采用传统方法需进行2次测量得到时间差信号，若选取的测量点不当，则测量结果可能超出模体本身的特性参数，导致误判（在温度为（23±3）℃时，该模体的TM材料标称声速为1540±10 m/s）。而本文方法则只需1次测量即可得到时间差，并且由于将波形整形为脉冲信号，时间测量点易于选取，测量结果符合模体自身的特性参数。

5　结论

本文阐述了一种超声仿组织模体内部材料声速测量方法，在不增加较多硬件条件下，使时间测量点易于选取，且时间差可直接测量，无需2次测量相减。实验结果表明：时间差测量准确性对模体材料声速测量非常重要；本文提出的方法与传统方法相比，准确性与实用性更高。由于本文提出方法将接收信号整形为脉冲信号，可进一步与单片机外部中断连接，无需示波器人为测量时间差，将极大降低硬件成本，实现自动测量，这将在下一步研究工作中实现。

[1] 牛凤岐.KS系列仿组织超声体模简介[J].现代科学仪器, 1992(3):34-35.

[2] 田旭,祝海江.超声仿人体组织材料声学参量测量研究[J].计量技术,2009(4):10-13.

[3] 李国伟,陈亚珠.超声体模及性能测试[J].声学技术,2000, 19(1): 26-29,33.

[4] 国家标准化管理委员会.GB/T 15261−2008 超声仿组织材料声学特性的测量方法[S].北京:中国标准出版社,2008.

[5] 国家质量监督检验检疫总局.JJF 1556−2016超声仿组织模体校准规范[S].北京:中国质检出版社,2016.

Cross Structured Measurement Method of Sound Velocity of Ultrasound Tissue Mimicking Phantom

Wu Guoguang1,2Li Qi2Chen Shangwen2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology 2.Guangdong Provincial Institute of Metrology)

Aiming at the problem of measuring the sound velocity of the material inside the Tissue-mimicking phantom, a new method of measuring the sound velocity of the material by two-probe emission and reception with cross structure is proposed. By dividing the high-voltage pulse signal of the ultrasonic pulse emitter into two parts, and drive two cross-distributed ultrasonic transducers at the same time. The transmission time is received through two receiving transducers at the receiving end. The sound velocity of the material is calculated by measuring the long and short side distance of the module. The measurement system and validation experiments show that the method can improve the accuracy and practicability of sound velocity measurement.

Cross Structure; Tissue Mimicking Phantom; Sound Velocity

吴国光，男，1983年生，博士，高级工程师，主要研究方向：医学计量与智能化检测。E-mail: imguangzi@163.com

广东省质量技术监督局科技计划项目（2018ZJ01）