一种在用超声诊断设备探头性能检测系统的研制

贾龙洋，王龙辰，胡兵

上海交通大学附属第六人民医院 超声医学科，上海 200233

引言

医用超声成像在疾病诊断中起着重要的作用，中国超声检查受益者众多，随着老年化社会的到来和二胎政策的试行，对超声检查的需求逐年递增。根据2018 年全国医疗设备行业报告，中国2018 年超声设备产品市场保有量达到23000 余台，且这一数据仍在不断增长。

超声探头在超声诊断设备中占据重要地位，被称为超声诊断仪的“眼睛”，其作用是将高频电信号转换为超声信号，再将人体组织反射回来的超声信号转换为电信号，其性能直接影响超声诊断结果的准确性[1-2]。超声探头精密度高，由于与受检者接触最为频繁，使用过程中维护、保养不当，易造成探头性能下降甚至损坏[3]。然而，探头故障初期，往往从图像上不易被察觉，使用者在不知情的情况下继续使用会导致误诊、漏诊的概率增加。另外这些故障如能及早发现，可进行修复，避免更换新探头。因此为了保证诊断的可靠性，延长探头使用寿命及降低维修成本，对超声探头的日常性能检测至关重要[4-10]。

目前国内相关机构每年会对在用诊断超声设备年检，但都是基于超声图像或电性能进行的检测，如图像分辨力、探测深度、几何误差、盲区、漏电流等，未对探头声学性能进行测定[11-16]。国际上，FIRSTCALL 系统（Sonora Medical System，美国）可以对部分进口超声厂家的探头检测[17]，但对于国产品牌的超声产品没有一套可行的检测系统，本研究开发了一种操作简单自动化的医用超声探头声学性能检测系统，可在图像暗道产生前检测出某一探头阵元灵敏度信号的衰减，实现对国产品牌超声在内的多个超声型号探头的故障进行预防性检测。

1 检测参数

系统主要对超声探头中心频率、相对带宽、相对脉冲回波灵敏度进行检测，上述参数对图像质量、图像暗道、彩色血流或多普勒灵敏度有直接影响。根据ISO10375:1997（E）[18]，YY/T 1142-2013[19]和JB/T 12466-2015[20]等相关指南检测参数定义如下。

1.1 中心频率和相对带宽

对回波信号进行频谱分析，得到的回波频率响应是中心频率和相对带宽的基础。中心频率f0为换能器频响曲线中的幅值最高点对应的频率；相对带宽BW为高、低端截止频率的差值与中心频率之比的百分数，分别由公式(1)、(2)确定。

其中，f1和f2分别是相较于测出的回波最大幅度降低-6 dB 的回波幅度处的对应的高、低端截止频率。

1.2 相对脉冲回波电压灵敏度

相对脉冲回波电压灵敏度是度量探头在脉冲回波模式下相应介质中电声转换效率的参数。用示波器测出探头上输入的电压峰－峰值Vin和反射波放大前的电压峰－峰值Vout，根据式(3)可以计算出相对脉冲回波灵敏度SV。

2 测试系统

2.1 整体测试系统

本检测系统采用脉冲回波法，系统示意图如图1 所示，测试装置包括：超声脉冲收发器、带宽不小于100 MHz 示波器、超声探头转接设备、计算机、测试水槽、反射靶、夹具。

图1 在用超声探头性能检测系统示意图

本测试系统使用超声脉冲收发器产生窄脉冲电压信号激励被测探头其中一个阵元发射超声波至水槽中，超声波垂直入射到反射靶表面，其第一反射波由被测探头同一阵元接收，其回波电信号经脉冲收发器放大，使用示波器采集从超声脉冲收发器返回的波形数据，通过计算机抓取示波器数据并分析。

本测试系统支持全阵元测试，探头转接装置信号切换网络使用继电器切换网络实现1 到128 通道的分时复用，信号切换转接网络实现接口转接功能，用于适配所有探头接口，并且针对128 阵元以上的探头实现多路复用功能。

本测试系统可支持不同型号的超声设备探头。只需根据探头接头类型和针位图制作转接板，根据探头形状选择反射靶，即可匹配整套测试系统测试。转接板卡和反射靶也可多探头共用。

夹具是操纵探头运动和装夹固定的结构，为一体式结构，分为探头夹具和反射靶夹具，探头夹具可以三维移动，俯仰方向角度和扫描方向角度变化，发射靶夹具可以竖直方向移动，方便大幅度调节靶距。

本测试系统操作简单，软件系统一键测试。

2.2 测试软件

测试软件对采样数据FFT 变换后进行分析计算，确定探头的中心频率、高低端截止频率、相对带宽。测试软件的界面如图2 所示。测试界面主要分为四个区域。左上角区域为回波时域信号。右上角区域为FFT 变换分析的频域信号。左下角区域包括通道配置、触发配置、其他配置、波形信号。右下角区域包括参数配置、测试配置、测试结果。

图2 在用诊断超声探头质控系统测试界面

第一次使用该系统需在其他配置中配置示波器。在通道配置和触发配置中已预设了示波器参数。测试超声探头之前，在参数配置中输入被测探头信息、脉冲收发器参数设置等基本测试信息。在测试设置中选择被测探头类型，对应不同厂家的主机系统，不同类型的探头对应的探头与主机的通道映射关系不同。

探头测试时要先进行对准微调，在测试模式中选择“单阵元测试”，对探头首、末及中心阵元进行测试，若三个阵元对应采集时间（即测试深度）基本一致，且灵敏度无明显差异，则对准完成。对准完成后即可进行全阵元测试，对探头全部阵元依次自动检测，测试过程中会实时显示各阵元的回波时域、频域图像。测试结束后可查看各阵元的中心频率、相对带宽、相对脉冲回波电压灵敏度数据，并可创建报表。

2.3 测试结果

测试报告如图3 所示，为使用1 年的3.5 MHz 凸阵超声探头的测试结果，报告表头会显示参数配置中基本测试信息，各阵元的相对脉冲回波电压灵敏度、中心频率、相对带宽以条形图形式列出，分别对应测试报告图3 中的上、中、下三个条形图图表，每个测试参数图表下方均列出平均值、最大值、最小值、标准差。相对脉冲回波电压灵敏度条形图中蓝、绿、红三条横线分别对应-15、-60、-75 dB。如果阵元相对脉冲回波电压灵敏度SV 低于-75 dB,则该阵元对应灵敏度条形线为红色，如果灵敏度SV 大于-15 dB 则显示为蓝色，如灵敏度-75 dB＜SV＜-60 dB 则显示为黄绿色。理论上每个阵元的相对脉冲回波电压灵敏度应相同，若灵敏度强度过低，如低于20%，则会对彩色和多普勒血流图像质量造成影响，图3 所示测试探头的相对脉冲回波电压灵敏度均达标。各阵元的中心频率理论上也应一致，测试中认为中心频率偏差的最大允许值为标称频率的±10%，图3 所示测试探头80、92 阵元中心频率分别为3.12、3.09 MHz，偏差分别为10.9%，11.7%。相对带宽与超声系统的总体动态范围密切相关，一般超声探头带宽高于60%，图3 所示测试探头80、92 阵元相对带宽分别为42.41%，48.38%，低于60%。因此通过检测，需要对该探头80、92 阵元进行进一步检查，结合电学检测结果确定故障因素。

图3 测试报告

3 总结

本研究运用频域分析和可视化技术，基于超声脉冲回波测试方法，开发了一套在用超声诊断设备探头性能检测系统，并对主要检测参数结果实现可视化，实现对超声探头的频率特性评估和分析。该检测系统解决了超声探头老化初始时从图像质量上不被察觉的难题，可用于在用探头的日常质量控制，进行预防性检测，及早发现问题，更高效经济的修复探头。该测试系统灵敏度高、操作简便，普适性好，可作为超声性能检测评价的重要工具，结合图像质量检测评价结果，为超声性能全面综合评价提供重要数据支撑。