CN101788330B - 测量高强度聚焦超声功率的吸收靶 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量高强度聚焦超声功率的吸收靶，包括容器及群锥靶，群锥靶由几何形状相同的基本单元组成，基本单元上部为棱锥体，下部为棱柱形底座，棱锥体各侧面的顶点汇集于该棱柱形底座中垂线形成锥顶，棱锥体和底座的截面为正方形或正三角形，或正六边形；基本单元的底座在容器内的底部无缝紧密排列，入射群锥靶的声波至少经过两次反射或散射才有可能逸出群锥靶外的空间；吸收靶基本单元体内密布有开放性微孔。其优点是：群锥靶具有可轻易获得反射系数低于-30dB的优良物理特征，所用基材具有高比热、低温升率、低膨胀率、大剂量声照射不辐解不变性等特质，从而可用于测量千瓦级聚焦超声功率，且性能稳定、使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量超声功率高达千瓦以上的吸收靶，尤其是用于测量高强度聚焦超声(HIFU)功率达千瓦以上的吸收靶。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)主要用于恶性肿瘤治疗。其临床有诸多特色：可实现无创或微创外科理念；对乏氧肿瘤细胞有更敏感的杀伤性；对增生性和非增生性肿瘤(肝、肾肿瘤等)治疗的无差异性以及可诱发肌体对肿瘤的特异性免疫反应等优点。然而现有HIFU在治疗深部肿瘤、肋下肝肿瘤和大体积肿瘤时所遇到的瓶颈性困难并非HIFU难以获得很高的聚焦声强。例如当HIFU取工作频率f＝1.5MHz时，为获得自由声场中焦点声强IF0≈15000W/cm2，只需声功率PA0≈150(W)。然而由于人体组织天然的导热性和血供，导致靶区在HIFU加热的过程也同步散热，根据人体平均软组织已知声学、生物物理学参数，不难判知(实验与计算机模拟)上述HIFU能有效治疗的皮下平均软组织病灶的最大深度(最大焦皮距)仅约数厘米。而且治疗速率很低，即使只是中等大小的病灶，治疗时间之长也令人难以接受。研究在适当的频率下能可靠发射千瓦级、具有优势聚焦特性的HIFU，是其能否真正实现“一次性无创外科”理念的一个关键，从而使千瓦级超声功率的测量成为研发、生产、实际使用和诊测维修高强度聚焦超声(HIFU)装备必不可少的关键环节。南京海克医疗设备有限公司曾参考有关文献，曾经以金属为材质设计了一种可用于测量千瓦级HIFU声功率的凹锥形反射靶。实验证明此类反射靶无法使不同物理结构的HIFU换能器发射的声束均能满足必要的靶的纵、横波全内反射条件，由其测量获得的声辐射力用于计算辐射源声功率，可信度必然存在问题。
目前国内外用于大功率高强度聚焦超声功率的通常方法多是采取测量作用于吸收靶法向辐射力以求得声源所发射的声功率，我国国家标准(GB/T19890-2005)所推荐的方法也不例外。但目前能够实用的只有可测量百瓦级声功率的吸收靶，无法满足HIFU的现状及发展需求。
发明内容
本发明目的在于：针对目前测量高强度聚焦超声(HIFU)设备的吸收靶存在的测量声功率上限太低缺陷，提供一种能测量高强度聚焦超声功率达千瓦级的吸收靶。
本发明的目的是这样实现的：一种测量高强度聚焦超声功率的吸收靶，其特征在于：包括容器以及浸没在液体介质中的群锥靶，其中，群锥靶由几何形状相同的基本单元组成，基本单元上部为棱锥体，下部为相应的棱柱形底座，棱锥体各侧面的顶点汇集于该棱柱形底座中垂线形成锥顶，棱锥体和底座的截面为正方形或正三角形，或正六边形；基本单元的底座在容器内的底部无缝紧密排列，入射群锥靶的声波至少经过两次反射或散射才有可能逸出群锥靶外的空间；
吸收靶基本单元体内密布有开放性微孔。
在本发明中：制作基本单元的基材为含有开放性微孔的无机固体材料；制作容器的基材采用导热率较高的无机固体材料。
在本发明中：制作基本单元的基材为市场采购的无机固体材料，或采用特制的单质或复合质含有开放性微孔的无机固体材料，优选砖，或含有开放性微孔的石，或含有开放性微孔的岩，或石墨；制作容器的基材优选金属，或玻璃。
在本发明中：吸收靶使用的液体介质为去气水，基本单元的棱柱形底座的高度应该满足声衰减＞20dB；群锥靶的总体底面最小尺寸至少应该大于所需截获的-26dB声速宽度的1.5倍以上。
本发明的优点在于：由于采用群锥靶，具有可轻易获得反射系数低于-30dB的优良物理特征，由于因其所用基材为无机固体材料，优选砖，或含有开放性微孔的石，或含有开放性微孔的岩，或石墨，具有高比热、低温升率、低膨胀率、大剂量声照射不辐解不变性等特质，从而可用于测量千瓦级聚焦超声功率，且性能稳定、使用寿命长。
附图说明
图1是本发明群锥靶基本单元的结构示意图；
图2是群锥靶基本单元的几种截面几何形状示意图；
图3是本发明实施的群锥靶结构示意图；
图4是利用本发明对HIFU换能器进行测量的辐射力声功率天平测量系统。
图中：1、基本单元，2、容器，3、棱锥体，4、棱柱形底座，5、群锥靶，6、换能器，7、配重电子天平，8、超声功率吸收板，9、超声射频源，10、频率计。
附图非限制性地公开了本发明实施例的基本结构示意图，下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
由图1可见：本发明中群锥靶基本单元1的上部为棱锥体3，下部为棱柱形底座4。由图2可见，基本单元1的截面为a：正方形，或b：正三角形，或c：正六边形，群锥靶总体底面的最小尺寸(Wmin)至少为截获-26dB声速宽度的1.5倍，棱柱形底座4的高度应满足声衰减＞20dB；棱锥体3各侧面的顶点汇集于该基本单元1底面的中垂线中心形成锥顶。基本单元1体内密布有开放性微孔。
由图3可见，各基本单元1的棱柱形底座4在矩形容器2中无缝紧密排列，形成群锥靶；入射群锥靶的声束自锥顶至锥底至少需要在群锥靶内反(散)射2次以上才能返回靶外空间。
具体实施时，基本单元1应采用与吸收靶使用的液体介质间声压反射系数小，且导热率高的无机固体材料制作，例如；矩形容器应该采用无机且导热率较高的固体材料制作。
实施例1
群锥靶的结构和使用条件
制作群锥靶基本单元的无机固体材料选择：宜兴市圣德热陶瓷有限公司生产的莫来石06砖(耐火砖)。
群锥靶基本单元的底座高25mm，其横截面是边长为16mm的正方形，棱锥形靶顶到底座上表面的高度为30mm。
制作矩形容器无机固体材料选用：玻璃。容器的容积为256mm×256mm×60mm(长×宽×深)。
矩形容器中无缝紧密排列16×16(行、列)个基本单元。
本吸收靶使用状态：液体介质为去气水；可测量最大声功率不低于3000W。
其方法是：测试前，先将群锥靶5置于液体介质中，在真空状态下，排除群锥靶5中微孔内的空气，使群锥靶5各基本单元体内密布的开放性微孔中充满液体介质。
测量超声辐射力装置如图4所示，超声源应该固定在精密三维运动平台，同时由配重电子天平7通过杠杆机构将吸收靶被悬吊在换能器6下方，其超声源声束轴应与吸收靶重垂线平行。此外，测量超声辐射力装置的四周内壁上还应该设置超声功率吸收板8。为了避免非线性和声流等对辐射力测量的影响，吸收靶的轴向位置应设置在偏离声焦点靠近声源处。吸收靶底平面应垂直于声束轴，靶心对准声束轴，与换能器6或换能器6的表面中心的距离不大于0.7倍声压焦距为宜。测量前吸收靶应浸泡在脱气水中真空脱气30min以上，仪器预热15min以上。
为减少热漂移的影响，应测量施加声压时与中断超声时配重电子天平7示值的短时(2～4S)稳定值，二者之差即为群锥靶5所受的法向辐射力F与重力加速度g的比值m，单位kg。
采用杠杆机构时，配重电子天平7测得的力应通过校准力臂比，换算成实际的吸收靶所受的力。
测量中应随时观察群锥靶5和换能器6表面，及时清除表面出现的小气泡。
超声功率的计算(忽略去气水介质的声衰减影响)
声源为中心开圆孔的球台型聚焦单元换能器的声功率计算
式中：P----声功率，单位为(W)；
C----水的声速，单位为(m/s)；
F----吸收靶所受的法向辐射力，单位为(N)；
β1----球台型聚焦换能器的外孔径半会聚角，单位为(°)；
β2----球台型聚焦换能器的中心内孔径半会聚角，单位为(°)惑
若声源为无中心孔的球冠型聚焦单元换能器，式C.1也适用，只是此时cosβ2＝1。
以上实施例不是对本发明的具体限制，尤其是吸收靶中群锥靶5的材料为市场采购的无机固体材料，或采用特制的单质或复合质含有开放性微孔的无机固体材料，优选砖，或含有开放性微孔的石，或含有开放性微孔的岩，或石墨；制作容器的基材优选金属，或玻璃。
Claims (4)
1.一种测量高强度聚焦超声功率的吸收靶，其特征在于：包括容器以及浸没在液体介质中的群锥靶，其中，群锥靶由几何形状相同的基本单元组成，基本单元上部为棱锥体，下部为相应的棱柱形底座，棱锥体各侧面的顶点汇集于该棱柱形底座中垂线形成锥顶，棱锥体和底座的截面为正方形或正三角形，或正六边形；基本单元的底座在容器内的底部无缝紧密排列，入射群锥靶的声波至少经过两次反射或散射才有可能逸出群锥靶外的空间；
吸收靶基本单元体内密布有开放性微孔。
2.根据权利要求1所述的测量高强度聚焦超声功率的吸收靶，其特征在于：制作基本单元的基材为含有开放性微孔的无机固体材料；制作容器的基材采用导热率较高的无机固体材料。
3.根据权利要求2所述的测量高强度聚焦超声功率的吸收靶，其特征在于：制作基本单元的基材为砖，或含有开放性微孔的石，或含有开放性微孔的岩，或石墨；制作容器的基材为金属，或玻璃。
4.根据权利要求1或2或3所述的测量高强度聚焦超声功率的吸收靶，其特征在于：吸收靶使用的液体介质为水，基本单元的棱柱形底座的高度满足声衰减＞20dB；群锥靶的总体底面最小尺寸大于所需截获的-26dB声速宽度的1.5倍。
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