CN106813774A - 一种高强度聚焦超声的声强和声功率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度聚焦超声的声强和声功率测量方法。本发明是在高强度聚焦超声的预聚焦区域选取两个相互平行的第一平面和第二平面进行测量，通过PC机控制水听器扫测第一平面上的声压数据，然后通过伺服电机精确的控制水听器沿Z方向移动，重复上述的控制和采集过程，完成获取第二平面上的声压数据。本发明具有实施简便、计算高效、准确等显著特点。避免对焦域内进行测量，可以最大限度的保护传感器，获得声功率的同时还能得到声强分布等多个参数，有利于对聚焦换能器性能的全面评价，适用于各种聚焦换能器辐射声功率的测量。

Description

一种高强度聚焦超声的声强和声功率测量方法

技术领域

本发明属于声学领域，具体涉及一种高强度聚焦超声声强和声功率测量方法。

背景技术

高强度聚焦超声(HIFU)技术起源于上世纪40年代，当时由于缺乏高精度的成像和定位技术，影响其发展。近年来随着影像和定位技术的发展，现在高强度聚焦超声已成为医学工程界的研究热点。HIFU外科是将体外低声强的超声波通过某种聚焦手段(声透镜、凹球面自聚焦、电子聚焦等)汇聚到体内，形成高强度聚焦超声。利用超声波的热效应、机械效应和空化效应等达到瞬间(0.5～2s)灭活肿瘤组织的目的，而不损伤正常组织的一种新方法。临床中超声剂量的选择主要依赖于治疗头的声功率。故声功率的准确评价直接关系到病人的安全。

HIFU声场的特点：第一，焦点处的声压非常大，最高达到100MPa。极易发生空化而损坏传感器；第二，声强极高，一般超过1000w/cm²，容易引起传感器的温度升高，灵敏度急剧下降甚至失效；第三，若辐射声波达到有限振幅波范围，传播过程中容易滋生谐波并出现声饱和现象。这都给测量带来困难。因此准确的测量HIFU声场的声功率是一个重要的难题。

声功率是指单位时间内，声波通过某指定面积的声能量。医疗中人们关心治疗头的辐射声功率。声功率不能在声场中某一位置直接测得，只能通过间接的方法测量，常用的测量方法有辐射压力法、激光干涉法、声压法等。

辐射力法这种方法出现最早，目前国内外普遍使用的用来测量超声输出声功率的各种产品大多是基于这种原理开发的。它是根据超声计量学基本原理，超声信号作用于被测声场的吸收靶上，利用作用在吸收靶上的力和功率的关系计算得到声功率，但是这种方法对吸收靶的大小和测量位置要求很高，当功率过大时吸收靶极易出现永久性的热损伤和机械损伤，而且制作这种设备成本较高。

激光干涉法是通过测量辐射声源的力学参量来确定辐射声功率。测定辐射声源表面的位移振幅来确定辐射功率。但是这种方法对光学设备要求较高。而且对于不同类型的发射探头测量不具有普遍性，对于一些探头还需要进一步研究获得其阻抗表达式。

声压法的基础是利用水听器对设备的辐射声场进行扫描获得其声压，然后通过积分获得其声功率，测量较简便。但是由于聚焦换能器的能量会聚作用，焦点处的声压较大，直接用水听器在焦点区域进行测量会对水听器造成不可修复的破坏，增加了测量成本。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种高强度聚焦超声的声强和声功率测量方法。

本发明方法具体是：

本发明是在高强度聚焦超声的预聚焦区域选取两个相互平行且相距△r的第一平面和第二平面进行测量，首先通过PC机控制水听器扫测第一平面上的声压数据，然后通过伺服电机精确的控制水听器沿Z方向移动距离△r，其中Z方向垂直于第一平面和第二平面，重复上述的控制和采集过程，完成获取第二平面上的声压数据；所述的声压数据指的是瞬时声压波形数据，所述的距离△r远小于聚焦换能器发射声波在水中的波长λ，保证相位的变化远小于2π，即△r<<λ；测量面覆盖的区域包含聚焦换能器发射声波能量的95％以上，测量平面内测量点的空间间隔△d≤λ/3。

通过第一平面和第二平面上对应点的声压可近似求出对应点连线中点上的声压和声压梯度，设该连线中点所在的平面为第三平面，则：

第三平面上一点的声强I由下式得到

式中P₀(t)是瞬时声压；u₀(t)为瞬时质点振速；T是时间，其中

连线中点的声压梯度

声强计算式中P₀(t)和u₀(t)间的互相关函数R_pu(τ)如下式

对上式进行傅里叶变换得

S_pu(ω)为互功率谱函数，将其变为单边互功率谱G_pu(ω)，变换结果如下

I(ω)＝S_pu(ω)+S_pu(-ω)＝2Re[S_pu(ω)]＝Re[G_pu(ω)] (7)

瞬时声压p₀(t)和瞬时质点振速u₀(t)的傅里叶变换分别为P₀(ω)和U₀(ω)，

根据相关定理得

式中P₀ ^*(ω)表示共轭。带入声强计算式

式中I(ω)为声强谱密度，ω为圆频率，ρ为介质密度，Im表示复数的虚部，G₁₂第一平面和第二平面两瞬时声压信号的单边互功率谱，通过声强对面积的积分得到声源的辐射声功率：

式中S_i是微小面元，I_i是微小面元上的声强值。

本发明的有益效果是：该声功率测量方法具有实施简便、计算高效、准确等显著特点。避免对焦域内进行测量，可以最大限度的保护传感器，获得声功率的同时还能得到声强分布等多个参数，有利于对聚焦换能器性能的全面评价，适用于各种聚焦换能器辐射声功率的测量。

附图说明

图1为声强和声功率测量实现方法示意图；

图2为近似代替声压和声压梯度原理图；

图3为本发明所搭建的测量系统示意图；

图4为焦点处平面1上中心点处瞬时声压波形；

图5为焦点处平面2上中心点处瞬时声压波形；

图6为焦点前10mm处平面1上中心点处瞬时声压波形；

图7为焦点前10mm处平面2上中心点处瞬时声压波形；

图8为焦点后10mm处平面1上中心点处瞬时声压波形；

图9为焦点后10mm处平面2上中心点处瞬时声压波形；

图10为焦点处平面0上的声强分布三维图；

图11为焦点前10mm处平面0上的声强分布三维图；

图12为焦点后10mm处平面0上的声强分布三维图。

具体实施方式

本发明涉及一种高强度聚焦超声声强和声功率的测量方法，具体实现方法如图1所示，在高强度聚焦超声的预聚焦区域选取两个相距很近的平行的平面1、2进行测量，首先通过PC机控制水听器扫测平面1上的声压数据，然后通过伺服电机精确的控制水听器沿Z方向移动距离△r，△r取声波波长的十分之一左右，重复在平面1处的控制和采集过程，完成获取与平面1相平行的另一平面2上的声压数据。需要注意的是在平面1、2处获得的声压数据指的是瞬时声压波形数据，具体可参见附图中得到图4到图9，声压波形图中t代表时间，P代表声压幅值。两平面1、2上相互对应测量点处获取的瞬时声压波形数据存在一定的相位关系，此相位关系是由两测量点的空间位置不同产生的，利用这种相位关系可以获得平面0上的声强分布，对此声强分布进行面积分进而得到声功率。

相互平行的测量面之间的距离△r应满足远小于聚焦换能器发射声波在水中的波长λ，保证相位的变化远小于2π，即△r<<λ

测量面的要求，其覆盖的区域应包含聚焦换能器发射声波能量的95％以上，测量平面内测量点的空间间隔△d≤λ/3。

技术方案：原理如图2所示，通过平面1、2上对应点的声压可以近似求出对应点连线中点(此点在平面0上)上的声压和声压梯度。

平面0上一点的声强由下式得到

式中P₀(t)是瞬时声压；u₀(t)为瞬时质点振速；T是时间。其中

连线中点的声压梯度

声强计算式(1)中P₀(t)和u₀(t)间的互相关函数R_pu(τ)如下式

对式(4)进行傅里叶变换可得

S_pu(ω)为互功率谱函数，需将其变为单边互功率谱G_pu(ω)，变换结果如下

I(ω)＝S_pu(ω)+S_pu(-ω)＝2Re[S_pu(ω)]＝Re[G_pu(ω)] (7)

瞬时声压p₀(t)和瞬时质点振速u₀(t)的傅里叶变换分别为P₀(ω)和U₀(ω)，

根据相关定理得

式中P₀ ^*(ω)表示共轭。带入声强计算式(7)

式中I(ω)为声强谱密度，△r为两传声器之间的距离，ω为圆频率，ρ为介质密度，Im表示复数的虚部，G₁₂为平面1、2两瞬时声压信号的的单边互功率谱。

通过声强对面积的积分可以得到声源的辐射声功率，积分实质为求和的过程，因此功率可由下式计算得到

式中S_i是微小面元，I_i是微小面元上的声强值。

实施本方法所需系统如图3所示

所述高精度三维扫描运动装置包括水听器自动运动控制部分和聚焦换能器手动运动控制部分。

所述信号发生器产生脉冲信号通过功率放大器后激励聚焦换能器向水中辐射声波。

所述水听器接收的信号经过前置放大器放大后，由数字示波器显示。

所述计算机控制高精度三维扫描运动装置进行扫描测量并通过串口通信对数字示波器的信号进行采集。

实施例：

聚焦换能器直径120mm，谐振频率1.27MHz。水听器选用onda公司仓式水听器。选取焦点、焦点前10mm和焦点后10mm处进行上述测量，见图10-图12，声强分布三维图中D代表距离，I代表声强。本次实验中△z分别取0.1mm。焦平面处测量范围选取20mm*20mm，扫描的空间间隔△d取0.2mm，预聚焦面范围选取30mm*30mm，空间间隔△d取0.3mm。

三处的声功率为：

位置	换能器的辐射声功率(w)
		焦点前10mm	12.4894w
焦点处	11.585w
		焦点后10mm	11.1027w

相同条件下用国家标准推荐的辐射力天平测出辐射声功率为11.376w，三位置处测量相对误差不超过10％。

Claims (1)

1.一种高强度聚焦超声的声强和声功率测量方法，在高强度聚焦超声的预聚焦区域选取两个相互平行且相距△r的第一平面和第二平面进行测量，其特征在于：首先通过PC机控制水听器扫测第一平面上的声压数据，然后通过伺服电机精确的控制水听器沿Z方向移动距离△r，其中Z方向垂直于第一平面和第二平面，重复上述的控制和采集过程，完成获取第二平面上的声压数据；所述的声压数据指的是瞬时声压波形数据，所述的距离△r远小于聚焦换能器发射声波在水中的波长λ，保证相位的变化远小于2π，即△r<<λ；测量面覆盖的区域包含聚焦换能器发射声波能量的95％以上，测量平面内测量点的空间间隔△d≤λ/3；

通过第一平面和第二平面上对应点的声压可近似求出对应点连线中点上的声压和声压梯度，设该连线中点所在的平面为第三平面，则：

第三平面上一点的声强I由下式得到

$I=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{P}_0\left(t\right)u_0\left(t\right)dt$

式中P₀(t)是瞬时声压；u₀(t)为瞬时质点振速；T是时间，其中

$P_0\left(t\right)=\frac{P_1\left(t\right)+P_2\left(t\right)}{2}$

连线中点的声压梯度

$\frac{\&part;P}{\&part;r}=\frac{P_2\left(t\right)-P_1\left(t\right)}{\mathrm{\&Delta;}r}$

声强计算式中P₀(t)和u₀(t)间的互相关函数R_pu(τ)如下式

$R_{pu}\left(\mathrm{\&tau;}\right)={\lim }_{T\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{p}_0\left(t\right)u_0(t+\mathrm{\&tau;})dt$

对上式进行傅里叶变换得

$I=R_{pu}\left(0\right)={\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{+\mathrm{\&infin;}}{S}_{pu}\left(\mathrm{\&omega;}\right)d\mathrm{\&omega;}$

S_pu(ω)为互功率谱函数，将其变为单边互功率谱G_pu(ω)，变换结果如下

I(ω)＝S_pu(ω)+S_pu(-ω)＝2Re[S_pu(ω)]＝Re[G_pu(ω)]

瞬时声压p₀(t)和瞬时质点振速u₀(t)的傅里叶变换分别为P₀(ω)和U₀(ω)，

$P_0\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{P_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)+P_2\left(\mathrm{\&omega;}\right)}{2}$

$U_0\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1}{j\mathrm{\&omega;}\mathrm{\&rho;}\mathrm{\&Delta;}r}\&lsqb;P_2\left(\mathrm{\&omega;}\right)-P_1\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&rsqb;$

根据相关定理得

$G_{pu}\left(\mathrm{\&omega;}\right)={\lim }_{T\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}\frac{2}{T}\&lsqb;P_0^{*}\left(\mathrm{\&omega;}\right)U_0\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&rsqb;$

式中P₀ ^*(ω)表示共轭；带入声强计算式

$I\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\mathrm{Re}\&lsqb;G_{pu}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&rsqb;=-\frac{\mathrm{Im}\&lsqb;G_{12}\&rsqb;}{\mathrm{\&omega;}\mathrm{\&rho;}\mathrm{\&Delta;}r}$

式中I(ω)为声强谱密度，ω为圆频率，ρ为介质密度，Im表示复数的虚部，G₁₂为第一平面和第二平面两瞬时声压信号的单边互功率谱，通过声强对面积的积分得到声源的辐射声功率：

$P\&ap;\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{I}_i{\mathrm{\&Delta;S}}_i$

式中S_i是微小面元，I_i是微小面元上的声强值。