CN109044485B - 一种高声压高声强超声波测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高声压高声强超声波测量系统，所述的系统包括：反射体、水听器、信号解调器和信号示波器，反射体将入射超声波按照反射系数等比折减反射到水听器上，水听器采集到反射体反射的超声波信号后转换成电信号或光信号，并发送给信号解调器，信号解调器将电信号或光信号解调成与超声波信号成比例的电信号后，输入到信号示波器进行信号的采集和显示。本发明的高声压高声强超声波测量系统，通过选定特性阻抗固体反射体的斜入射反射作用，在不改变入射波频率成分、声束形状、空间分布的条件下，对水中的高声压高声强超声波声场进行等比折减，利用普通水听器即可实现冲击波碎石机、高强度聚焦超声肿瘤治疗系统声场和声输出的测量。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械性能检测和测量领域，尤其涉及一种高声压高声强超声波测量系统。
背景技术
体外引发冲击波碎石机(Extracorporeal Shock Wave Lithotripter，ESWL)和高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound，HIFU)肿瘤治疗系统是当今最重要的超声治疗设备。其中，前者的作用是产生高达数十至上百MPa的高声压，通过空化、挤压等多种机理将体内的结石粉碎，后者的作用是产生高达数千至上万W/cm2功率面密度的高声强，其能量被肿瘤组织吸收后产热升温，发生凝固性坏死。作为医疗器械，为了确保在临床使用中的安全有效，必须对其声场分布和声输出水平进行标准化检测，而检测所用的首要工具就是高频水听器。
迄今为止，制作水听器的敏感材料有压电陶瓷、压电高分子和光纤三大类，但它们都无法抗耐ESWL的高声压和HIFU治疗系统的高声强。作为不得已的办法，一种是将临床所用的连续波或猝发声工作方式，为了检测目的临时改为尖脉冲方式，达到常规水听器所能耐受的程度，另一种对现有水听器进行铠装，增强其抗耐性(鲁棒性)。但将连续波或猝发声方式改为尖脉冲方式，虽可保护水听器，但并不反映临床实践中人体组织所受超声辐照的真实频率和强弱；对现有水听器进行金属铠装的办法，虽可增强其抗耐性，但灵敏度必然大大降低，从而导致严重的信息丢失。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种高声压高声强超声波测量系统。
本发明提供了一种高声压高声强超声波测量系统，包括：反射体、水听器、信号解调器和信号示波器，所述反射体将入射超声波按照反射系数等比折减反射到所述水听器上，所述水听器采集到所述反射体反射的超声波信号后转换成电信号或光信号，并发送给所述信号解调器，所述信号解调器将所述电信号或光信号解调成与所述超声波信号成比例的电信号后，输入到所述信号示波器进行信号的采集和显示。
优选地，还包括：计算机，与所述信号示波器连接，用于接收所述超声波信号，并对所述超声波信号进行显示和对超声波输出量参数进行计算处理。
优选地，还包括：控制器、反射体三维行程装置和水听器三维行程装置，所述控制器根据所述计算机对超声波输出量参数处理的结果，通过控制所述反射体三维行程装置和所述水听器三维行程装置，来调整所述反射体和所述水听器的位置和方向。
优选地，所述反射体三维行程装置包括：反射体平移装置和反射体旋转装置；所述反射体平移装置用于调节所述反射体的深度和横向位置；所述反射体旋转装置用于调节反射体的俯仰角度；
所述水听器三维行程装置包括：水听器平移装置和水听器旋转装置；所述水听器平移装置用于调节水听器在声束轴上作直线步进扫描；所述水听器旋转装置用于调节水听器能绕通过水听器接收面中心并垂直于水听器主声轴的两个正交轴线上旋转，作方向角和俯仰角的调节。
优选地，所述反射体的材质特性声阻根据折减的声压或声强比例计算结果进行选取，其厚度不小于10倍脉冲超声波声程，或不小于10倍的窄带信号最大波长；其中，所述反射体前表面为平面，后表面为搓板式沟槽结构，且在所述搓板式沟槽结构的沟槽内设置一层吸声内衬，作为后表面超声波吸收层。
优选地，还包括：吸声片，所述水听器嵌置在所述吸声片中心，所述吸声片平面通过固定装置与所述水听器保持垂直，用于在测量过程中，吸收所述水听器接收面周围反射超声波。
优选地，还包括：任意波信号发生器、功率放大器和超声波换能器，所述任意波信号发生器根据所述计算机对超声波输出量参数处理的结果对超声波换能器进行信号激发，并通过所述功率放大器将所述信号的功率放大到所述超声波换能器要激发的超声波要求后，输入到所述超声波换能器。
本发明的高声压高声强超声波测量系统，通过选定特性阻抗固体反射体的斜入射反射作用，在不改变入射波频率成分、声束形状、空间分布的条件下，对水中的高声压高声强超声波声场进行等比折减，利用普通水听器即可实现冲击波碎石机、高强度聚焦超声肿瘤治疗系统声场和声输出的测量，相比较现有直接测量系统，本发明测量系统更科学、简捷、经济和实用。
附图说明
图1为本发明提供的一种高声压高声强超声波测量系统的示意图；
图2为本发明提供的超声波声场在液体-固体界面透射反射的原理示意图；
图3为本发明实施例提供的高声压高声强超声波测量系统测量水中的上照射换能器声场示意图；
图4为本发明实施例提供的高声压高声强超声波测量系统测量水中的下照射换能器声场示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
为了解决现有技术中高声压高声强超声波测量系统中水听器无法抗耐ESWL的高声压和HIFU治疗系统的高声强，本发明提出一种基于斜入射反射折减原理的高压高强高声压高声强超声波测量系统。具体实现方式是：ESWL和HIFU的声场和声输出测量都是在水媒质中进行的，当其波束斜入射到水与固体之间的界面时，将以界面法线为中心发生镜面对称反射，而反射系数将随固体材料的声特性阻抗而改变。如该固体材料为不锈钢，入射能量几乎全部反射；如该固体材料为天然橡胶或聚氨酯橡胶，入射能量只有很小一部分反射；如该固体材料为有机玻璃、ABS、环氧树脂之类塑料，则入射能量的减少程度居于两个极端之间。据此，通过改变塑料成分从而改变其声特性阻抗，即可将高压高强的超声输出降低到普通水听器所能耐受的程度，而最重要的是反射波束的频率成分、形状和空间分布均与发射波束相同，是一种“保真等比折减”。从而实现利用普通水听器即可实现冲击波碎石机、高强度聚焦超声肿瘤治疗系统声场和声输出的测量。
图1为本发明提供的一种高声压高声强超声波测量系统的示意图。如图1示意的一种高声压高声强超声波测量系统，其包括：反射体1、水听器2、水听器信号解调器3、信号示波器4、计算机5、反射体三维行程装置7和水听器三维行程装置8。
反射体1一般为长方体结构，要求其厚度足够大。如果声场激发信号使用的是尖脉冲宽频信号，那么反射体1厚度需要至少大于脉冲的时间宽度与固体中的声速的乘积的一半，即脉冲在固体中传播的声程一半，通常为了保险起见需要保证反射体1厚度大于10倍的脉冲声程；如果声场激发信号使用的是窄带信号，那么反射体1厚度需要满足远大于在反射体1媒质中该声场的最小频率所对应的波长的条件，通常厚度取10倍的最大波长。
另外，反射体1需要有夹持装置9来稳定夹持固定反射体1，并可以手动调整反射体1的俯仰角度。
优选地，将反射体1后表面加工成搓板式起伏结构，然后在搓板式结构内沟槽中浇注一层吸声内衬15，以保证进入反射体1的超声波被其吸收而不再从反射体1前表面进入水媒质中，从而干扰反射体1外表面产生的反射波的测量。
在一个实施例中，如图2示意的超声波声场在液体-固体界面透射反射的原理图中，作为反射体1的材料选择和声压、声强折减率计算的依据，需要已知反射体1的材料密度ρ2、纵波声速c2L和横波声速c2T，从而得到纵波声特性阻抗Z2L＝ρ2Lc2L和横波声特性阻抗Z2T＝ρ2Tc2T；对于水媒质，由文献资料查表可知其密度ρ1、声速c1，从而有声特性阻抗Z1＝ρ1c1。
当被测超声波斜入射到反射体1表面并发生反射时，在水媒质和反射体1界面处，入射波的声压为pi，反射波的声压为pr，反射波与入射波相对于水-固界面的法线成对称关系。设反射体1内折射纵波声压为ptL，折射横波声压为ptT。于是，依据声学的基本理论，有：
θi＝θr (1)
其中，θi为入射角,，θr为反射角，θtL为反射体1中的纵波折射角，θtT为反射体1中的横波折射角。
根据声场理论，在水-固界面的声压反射系数rp为：
在水-固界面的声强反射系数rI为：
从声压反射系数的表达式(3)和声强反射系数的表达式(4)可见，入射超声波经反射体1反射之后，只是量值减小了，并不改变频率成分、声束形状和空间分布。测得的反射波的声压和声强通过分别除以声压反射系数rp和声强反射系数rI，所得商值就是入射波的声压和声强。由于反射过程的这一保真特性，测得的反射波的频率成分、声束形状、空间分布也就是入射波的相应特性。
其中，水媒质使用蒸馏水或去离子水，且必须经过除气处理，达到含氧量≤4mg/L的要求。除气处理的水在灌注中应严防振荡、搅拌、喷射等操作，避免空气重新溶入引起含氧量超标，水的温度需要保持在(23±3)℃，以防止或减弱高强度超声在水中引起的空化和散射等影响声场测量的效应。
水听器2用于在水媒质中将接收到的超声波信号转换成电信号。由于高压高强超声波的测量都是在水媒质中进行，因此对水听器2的灵敏度要求比较高，需要满足条件为：
1)水听器2电缆末端的自由场电压灵敏度不低于10nV/Pa；
2)水听器2频带宽度要求：在超声波工作频率的2倍频程范围内变化时，水听器灵敏度的起伏应处于±6dB范围内；
3)水听器2指向性要求：在超声波工作频率下，在声轴方向上声压-6dB，主波束宽≥70°。
另外，水听器2需要安装调节夹持杆10来牢固夹持水听器2，保证调节中水听器2的接收面的中心不发生位移，并且能绕通过水听器2接收面中心并垂直于水听器2主声轴的两个正交轴线上旋转，作方向角和俯仰角的调节；同时，保证水听器2能定位在镜面反射的声场声压焦点附近，并可在垂直于被测换能器阵的声束轴的平面上±15mm范围内作平移直线步进扫描，步距≤0.1λawf，在声束轴方向上±25mm范围内作直线步进扫描，步距≤0.2λawf。其中λawf为超声波工作中心频率下的波长，步距准确度优于10μm。
优选地，为了水听器2接收面周围充分吸收超声波，可以增加一个吸声片16，将水听器2嵌置于吸声片16中心，吸声片平面通过固定装置17与水听器2始终保持垂直关系，以保证在测量过程中，在水听器2附近不产生影响测量结果的反射声信号。
其中，水听器测量系统的水槽21必须有足够大的水浴空间，以保证水听器2及其安装支架能在规定的空间范围对声场进行三维立体扫描，采集完整的声压波形分布数据。并采取良好的吸声措施，在水槽21内壁安装吸声内衬22以防止水槽21内壁、底面与水面的边界反射波的干扰。
信号解调器3通过信号线或光纤与水听器2连接，用于对水听器2接收的超声波信号进行解调，转换成电信号。
用于接收信号解调器3解调后的携带有超声波信号的电信号，进行信号的采集和显示。
优选地，信号示波器4可以为独立的信号采集装置或集成在计算机中的信号采集卡来实现超声波信号的显示和采集。
反射体三维行程装置7包括反射体平移装置11和反射体旋转装置12，通过反射体平移装置11来调节反射体1的深度和横向位置；通过反射体旋转装置12来调节反射体1的俯仰角度。
水听器三维行程装置8包括水听器平移装置13和水听器旋转装置14，通过水听器平移装置13实现水听器2在声束轴上作直线步进扫描；通过水听器旋转装置14实现水听器2能绕通过水听器2接收面中心并垂直于水听器2主声轴的两个正交轴线上旋转，作方向角和俯仰角的调节。
其中，反射体三维行程装置7和水听器三维行程装置8可以是手动操作，也可以电动控制。
在一个实施例中，当反射体三维行程装置7和水听器三维行程装置8是电动控制时，系统还包括计算机5和控制器6。
计算机5，通过与信号示波器4连接，用于接收调解后的超声波信号，并对调解后的超声波信号进行显示和对超声波输出量参数进行计算处理。
控制器6输入端与计算机连接，输出端与反射体三维行程装置7和水听器三维行程装置8。控制器6根据计算机5对超声波输出量参数处理的结果，通过控制反射体三维行程装置7和水听器三维行程装置8，来调整反射体1和水听器2的方位。
优选地，该系统还包括：任意波信号发生器18和功率放大器19。任意波信号发生器18根据计算机5处理的结果进行信号激发，并通过功率放大器19将信号的功率放大到超声波换能器20的激发要求后，输入到超声波换能器20。
本发明的高压高强超声波测量装置，通过选定特性阻抗固体反射体的斜入射反射作用，在不改变入射波频率成分、声束形状、空间分布的条件下，利用普通水听器即可实现冲击波碎石机、高强度聚焦超声肿瘤治疗系统声场和声输出的测量，相比较现有测量系统，本发明测量系统更科学、简捷、经济和实用。
在一个实施例中，本发明高声压高声强超声波测量系统通过使用反射体1对高强度声场进行等比例分解降低后进行声场声输出量测量，可以对高强度上照射超声换能器和下照射超声换能器在水中的声场进行测量。
图3为本发明实施例提供的高声压高声强超声波测量系统测量水中的上照射换能器声场示意图。如图3所示，上照射超声换能器是将超声波换能器20直接放入水中，治疗时人体与水从上方直接接触，人体面朝下进行治疗。测量声场时需要将高声压高声强超声波测量系统中的反射体1和水听器2部分充分浸入水中，使用的吸声水槽21需要进行采取充分的吸声措施，需要在水槽21内壁均设置吸声内衬22防止各种反射声对声场的干扰。超声波换能器20置于水槽底部，使用任意波信号发生器18进行信号激发，可以选择宽频信号尖脉冲也可以选择窄带猝发声信号进行激发。任意波信号发生器18通过功率放大器19进行信号的功率放大已达到高强度超声波换能器的激发要求。任意波信号发生器18通过控制信号线与通用计算机5连接以进行信号参数的控制。超声波换能器20轴线与反射体1中心对齐，水听器2通过水听器三维行程装置8保持与反射声场方向相同，以保证尽量准确地进行声场测量。对于治疗使用的凹面聚焦换能器或相控聚焦换能器，需要调节反射体1和水听器2的相对位置，以使得水听器处于上照射超声波换能器20的声场聚焦焦点附近进行测量。
图4为本发明实施例提供的高声压高声强超声波测量系统测量水中的下照射换能器声场示意图。如图4所示，用于临床治疗的下照射超声换能器通常包含水囊23，治疗使用时与人体干式接触，病人平躺在床上比较舒适，换能器水囊与人体压紧以免相互移动。测量声场时将下照射换能器中的超声波换能器20连同水囊放入水槽中，超声波换能器20需要完全没入水面。测量时需要将高声压高声强超声波测量系统中的反射体1和水听器2部分充分浸入水中，调整反射体1的角度使其反射面朝向超声波换能器20。使用的吸声水槽21需要进行采取充分的吸声措施，需要在水槽21内壁均设置吸声内衬22防止各种反射声对声场的干扰。超声波换能器20使用任意波信号发生器18进行信号激发，可以选择宽频信号尖脉冲也可以选择窄带猝发声信号进行激发。任意波信号发生器18通过功率放大器19进行信号的功率放大已达到高强度超声换能器的激发要求。任意波信号发生器18通过控制信号线与通用计算机5连接以进行信号参数的控制。超声波换能器20轴线与反射体1中心对齐，水听器2通过水听器三维行程装置8保持与反射声场方向相同，以保证尽量准确地进行声场测量。对于治疗使用的凹面聚焦换能器或相控聚焦换能器，需要调节反射体1和水听器2的相对位置，以使得水听器2处于上照射超声换能器的反射声场聚焦焦点附近进行测量。
本发明申请的高声压高声强超声波测量系统也可应用于其他形式的高声压高声强超声波换能器产生的声场的测量中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高声压高声强超声波测量系统，其特征在于，包括：反射体（1）、水听器（2）、信号解调器（3）和信号示波器（4），
所述反射体（1）将入射超声波按照反射系数等比折减反射到所述水听器（2）上，所述水听器（2）采集到所述反射体（1）反射的超声波信号后转换成电信号或光信号，并发送给所述信号解调器（3），所述信号解调器（3）将所述电信号或光信号解调成与所述超声波信号成比例的电信号后，输入到所述信号示波器（4）进行信号的采集和显示；
所述反射体（1）的材质特性声阻根据折减的声压或声强比例计算结果进行选取，其厚度不小于10倍脉冲超声波声程，或不小于10倍的窄带信号最大波长；其中，所述反射体（1）前表面为平面，后表面为搓板式沟槽结构，且在所述搓板式沟槽结构的沟槽内设置一层吸声内衬（15），作为后表面超声波吸收层。
2.根据权利要求1所述的高声压高声强超声波测量系统，其特征在于，还包括：计算机（5），与所述信号示波器（4）连接，用于接收所述超声波信号，并对所述超声波信号进行显示和对超声波输出量参数进行计算处理。
3.根据权利要求2所述的高声压高声强超声波测量系统，其特征在于，还包括：控制器（6）、反射体三维行程装置（7）和水听器三维行程装置（8），
所述控制器（6）根据所述计算机（5）对超声波输出量参数处理的结果，通过控制所述反射体三维行程装置（7）和所述水听器三维行程装置（8），来调整所述反射体（1）和所述水听器（2）的位置和方向。
4.根据权利要求3所述的高声压高声强超声波测量系统，其特征在于，所述反射体三维行程装置（7）包括：反射体平移装置（11）和反射体旋转装置（12）；所述反射体平移装置（11）用于调节所述反射体（1）的深度和横向位置；所述反射体旋转装置（12）用于调节反射体（1）的俯仰角度；
所述水听器三维行程装置（8）包括：水听器平移装置（13）和水听器旋转装置（14）；所述水听器平移装置（13）用于调节水听器（2）在声束轴上作直线步进扫描；所述水听器旋转装置（14）用于调节水听器（2）能绕通过水听器（2）接收面中心并垂直于水听器（2）主声轴的两个正交轴线上旋转，作方向角和俯仰角的调节。
5.根据权利要求1所述的高声压高声强超声波测量系统，其特征在于，还包括：吸声片（16），所述水听器（2）嵌置在所述吸声片（16）中心，所述吸声片（16）平面通过固定装置（17）与所述水听器（2）保持垂直，用于在测量过程中，吸收所述水听器（2）接收面周围反射超声波。
6.根据权利要求1或2所述的高声压高声强超声波测量系统，其特征在于，还包括：任意波信号发生器（18）、功率放大器（19）和超声波换能器（20），
所述任意波信号发生器（18）根据计算机（5）对超声波输出量参数处理的结果对超声波换能器（20）进行信号激发，并通过所述功率放大器（19）将所述信号的功率放大到所述超声波换能器（20）要激发的超声波要求后，输入到所述超声波换能器（20）。
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