CN110487388A - 用于经颅刺激系统数据测试的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于经颅刺激系统数据测试的测量方法及系统，属于超声波技术领域。该系统包括空间扫描装置、信号采集组件、驱动机构、控制系统、水箱和超声源；控制系统控制驱动机构，驱使空间扫描装置进行扫描；同时控制系统发送数据采集指令给信号采集组件，在水箱内进行超声源的数据采集，并将采集到的数据回传给控制系统，将超声源信号转换成对应的声压信号。本发明的三维扫描控制平台采用高精度步进电机与控制系统实现全自动扫面控制，控制精度高、稳定性能好；数据信息采集采用示波器与控制软件对声强信号与坐标信息同步采集，数据信息完整性更准确。

Description

用于经颅刺激系统数据测试的测量方法及系统

技术领域

本发明属于超声波技术领域，涉及用于经颅刺激系统数据测试的测量方法及系统。

背景技术

目前通过超声波声场分布的理论仿真算法，可以描述给定规格参数的超声换能器声场空间结构，但在实际应用中，由于环境的改变，声波传播衍射、有限尺寸的限制、非线性等现象的存在，仿真计算的结果往往很难客观真实的反应一个特定条件下的声场分布结构及其特性参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于经颅刺激系统数据测试的测量方法及系统，为超声波的载体使用提供数据支持，实现平面或者空间上的声强分布测试。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

用于经颅刺激系统数据测试的测量方法，提供用于测试的超声源以及用于接收超声源信号的接收模块，将超声源与接收模块置于容器内，所述容器内存储有用于传播超声源的介质；

改变超声源与接收模块之间的相对位置，并接收和记录超声源信号；

建立超声源位置与超声源信号之间的映射关系，完成测试。

可选的，所述超声源静止，所述接收模块沿着第一方向、第二方向或第三方向的延伸方向运动，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向的延伸方向的位置关系为两两相交。

可选的，所述接收模块静止，所述超声源沿着第一方向、第二方向或第三方向的延伸方向运动，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向的延伸方向的位置关系为两两相交。

可选的，所述超声源与接收模块均沿着第一方向、第二方向或第三方向的延伸方向运动，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向的延伸方向的位置关系为两两相交。

用于经颅刺激系统数据测试的测量系统，包括用于放置介质的容器、用于传播超声源的介质、用于测试的超声源、用于接收超声源信号的接收模块和驱动模块；

所述驱动模块与接收模块连接，且所述驱动模块能够带动所述接收模块沿着第一方向、第二方向或第三方向的延伸方向运动，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向的延伸方向的位置关系为两两相交。

可选的，所述接收模块包括水听器、前置放大器、DC耦合器和示波器；

所述水听器采集介质中的超声源信号，再通过前置放大器进行信号放大，然后通过DC耦合器进行信号耦合，最后通过示波器进行信号展示。

可选的，所述接收模块的接收空间参数包括每个面的扫描点数、扫描方式、扫描面数、扫描密度和扫描速度。

可选的，所述接收模块的接收路径为S型路径。

本发明的有益效果在于：本发明的三维扫描控制平台采用高精度步进电机与控制系统实现全自动扫面控制，控制精度高、稳定性能好；数据信息采集采用示波器与控制软件对声强信号与坐标信息同步采集，数据信息完整性更准确；声场三维数据重建采用Voxler软件显示，Voxler软件是一款专业三维数据可视化软件，提供了一种全新的3D数据可视化方式，使得声场空间分布信息分析更加清晰。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明结构示意图；

图2为示波器初始化流程图；

图3为数据采集流程图；

图4为扫描路径1；

图5为扫描路径2；

图6为空间声强远近场示意图；

图7(a)为采用Voxler软件对超声聚焦换能器声场的切片显示；图7(b)为采用Voxler软件对超声聚焦换能器声场的三维显示；

图8(a)为沿Z轴1-25mm的1/2分割空间的声压分布图；图8(b)为沿Z轴1-25mm的1/4分割空间的声压分布图；

图9为空间沿声束轴可视化切片图；

图10(a)为Z＝10mm位置的XY平面图；图10(b)为Z＝20mm位置的XY平面图；

图11为剪切平面显示。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一、超声波声场测量系统的构成

超声波声场测量系统由空间扫描装置、信号采集组件、控制软件以及水箱等组成。信号采集组件包括水听器、前置放大器、DC耦合器、示波器、控制器。超声波声场测量系统框图如图1所示。

二、超声波声场测量系统工作原理

超声波声场测量系统由控制软件设置扫描方式参数，软件通过USB通信将控制指令发送给控制器，控制器驱动三维步进电机进行空间扫描；同时控制软件发送数据采集指令给控制器，控制器接收到数据采集指令通过RS232串口程控示波器进行数据采集，并且将采集到的数据回传给控制软件进行实时保存。

水听器传感器采集到的信号是超声源信号，因此声场测量系统在运行前需要在控制软件设置一些参数(灵敏度、水密度、速度、占空比)将超声源信号转换成对应的声压信号。

1、三轴平台

本方案在设计中建立一套基于步进电机驱动的自动声场三维扫描声场测量系统。该系统可实现声场空间的全自动三维扫描。

该套扫描系统的扫描运动的最大行程X轴430mm，Y轴310mm，Z轴是170mm，为了确保满足更高频率的扫描测量需要，对本套扫描装置的扫描定位精度进行检测，完全满足声场空间扫描的要求。定位精度检测数据见表1所示。

表1XYZ轴定位精度

自由度	X	Y	Z
				定位精度	<0.02mm	<0.02mm	<0.02mm
IEC62127-1要求	<0.05mm	<0.05mm	<0.05mm

2、水听器

水听器是将超声信号转换成电压信号，由于输出的电压信号很弱，因此后级需使用前置放大器对信号进行放大处理。水听器作为该系统中核心组件，所使用的水听器为PA(PrecisionAcoustics)公司的水听器。水听器参数特性如表2所示。

表2水听器参数特性

3、USS-06控制器

USS-06控制器通过USB接口与电脑软件通信，接收电脑控制指令，驱动三轴步进电机工作。RS232接口与示波器通信，控制示波器进行信号采集，并且将采集到的数据传送给电脑。

控制器前面板10PIN接头连接三轴平台驱动线缆，为步进电机提供驱动信号以及电源。后面板上包含交流220V电源座、USB接口、RS232接口，USB接口连接电脑进行数据通信，RS232接口连接示波器通信。

控制器包含直流24V电源模块，为三轴步进电机提供电源。

4、控制软件

Visual C++编程实现该套系统的软件控制。由计算机软件发出控制指令，控制步进电机进行空间扫描，控制软件同时发出指令控制采集装置进行信号采集。整个空间移动以及信号采集是由软件自动控制。在软件中可进行工作的模式以及参数设置，可实现XY平面(平面为水平方向)、XZ平面(平面为垂直方向)的自动平面扫描以及三维空间的自动扫描。具有实时显示以及数据存储功能。

扫描每行的数据进行曲线图显示，每个扫描面的数据进行实时平面图显示以及等势面图显示，平面图与等势面图可以切换。对XYZ轴的步进电机能手动控制和自动控制，设置对应的空间参数如：每个面的扫描点数、扫描方式、扫描面数、扫描密度以及扫描速度等。该软件对采集到的数据进行实时存储，可通过三维建模软件对超声声场分布结构进行重建以及分析。

采集控制软件自动保存数据，保存路径默认为E:\UMS_Data\……。数据文件为CSV格式。

在打开通信软件前需将外围设备连接确保无误后上电(控制器、示波器、耦合器等)，首先对控制软件通信接口进行连接，软件开始对示波器初始化，等待初始化完成后对参数进行相应的设置，此时就可以开启自动扫描运行。示波器初始化流程如图2所示。运行扫描数据采集流程如图3所示。

5、其余子单元组件

1)前置放大器

前置放大器的作用是放大水听器接收到的声信号。

2)DC耦合器

直流耦合(DC Coupler)的作用是提供直流电压，驱动前置放大器；以及作为前置放大器和测量系统之间的声信号耦合器。

3)辅助放大器

辅助放大器的作用：由于水听器的输出信号一般非常微弱，因此在将其输入采集和显示系统前，通常还需要经过一个水听器辅助放大器，进一步放大水听器接收到的声信号。

4)示波器

示波器作为波形采集单元：超声波频率在10MHz以下，经探头将声波转换为电信号后，信号放大后，送入采集单元。50MHz带宽示波器具有足够高采样率，可以获得无失真的信号，并可以观察完整波形。除此，仪器的通信接口也可实现系统的远程控制，

6、声场空间扫描及要点

声场空间扫描是通过控制软件将空间声场逐点扫描，把每个点对应的数据以及坐标信息保存，待整个空间扫描完成后利用三维重建软件对整个空间的声场分布结构进行查看分析。

6.1空间扫描要点

控制软件是利用Visual C++编程和控件TeeChart8进行编写，能将声场空间的声压分布等面值与等线值表现出来。因此可视化实时直观图的绘制是声场可视化中需要解决的要点如下：

1)步进电机运动与触发采集及显示的同步处理

在实时可视化中，计算机通过控制步进电机运动和示波器来完成数据获取，于此同时将采集到的电压信号经过处理后在软件上绘制显示，同时将扫描的数据进行保存。

步进电机运动与采集指令的同步性是可视化数据完整性的关键。如果出现不同步会导致出现重复坐标的数据如表3所示，或者丢失坐标数据如表4所示。

表3重复坐标数据

X	Y	Z	Value
				1	1	0	0.556513
1	1	0	0.666096
				2	1	0	0.643973
2	1	0	0.706148
				3	1	0	0.648524
3	1	0	0.710457
				3	1	0	0.648167
4	1	0	0.624678

表4丢失坐标数据

X	Y	Z	Value
				1	1	0	0.809353
3	1	0	0.617247
				4	1	0	0.794859
6	1	0	0.664824
				8	1	0	0.599076
9	1	0	0.785936
				11	1	0	0.621504
12	1	0	0.786178

在调试中，采用运动控制、信号采集与可视化显示同步进行，通过计算机控制步进电机的速度，达到采集和显示的同步进行，保障了实时可视化图形准确显示及完整数据保存。

2)扫描路径的确定

扫描路径对声场空间信号绝对位置上的准确度能够产生很大影响。正向运动采集信号和反向运动采集信号是否在空间绝对位置上对称或间距相同，是否能直观准确描述声场分布的关键。

如采用图4的扫描路径，正向反向均能进行信号采集，在整体声场扫描效率上会提高一倍，但是必须确保正向和反向的绝对位置相对准确，最后可视化结果才能正确。图5的扫描路径，不需要考虑空间绝对位置的问题，但是在整体扫描效率上又会降低一半。

在调试中选择了图4扫描路径的方式进行平面扫描，利用时间和速度的配合设定，使采集到的信号在空间绝对位置上达到很好的结果。

6.2空间扫描步骤

在超声诊断设备(超声源)发射产生的超声声场的空间扫描中，声轴是整个声场的中心，根据基尔霍夫-亥姆霍兹超声声场远近场理论可知，在沿声轴的分布上总有一个极值点。因此声场空间的声强最大处必定在该远近场分界面，如图6所示。因此声场扫描的具体步骤如下：(声束轴的方向为垂直方向)

1)假设声束轴方向是Z轴，调整Z轴使水听器在近场内，沿超声波声束轴传播方向的垂直平面进行平面扫描。假设扫描面为XY平面，调整XY平面的起始坐标点和扫描密度以及扫描点数，使得整个声束轴截面都包含在扫描的XY平面的平面内，以及在XY平面的中心区域。确定XY轴起始坐标点。

2)在声束轴中心区域，沿着声束轴传播方向的水平面进行平面扫描。需要调整扫描方式以及扫描点数，使得整个声束轴近场都包含在扫描的XZ平面内。根据近场长度与步骤1设置的扫描密度参数，确定了Z轴的起始坐标以及扫描面数。

3)参数设置：由步骤1确定了XY轴起始坐标、扫描点数、扫描方式、扫描密度。步骤2确定了Z轴起始坐标、扫描面数。扫描速度更具情况设定。

4)参数设定完成进行自动扫描，扫描完成后数据自动保存。

5)步骤1、2保存的是单面数据结果，步骤4保存的是空间数据结果。

7、声场三维重建

空间扫描采集控制软件保存的信息有XYZ坐标及采集数据值，可以用可视化技术中常用的Isosurface、Sub-Volume、Voxler等方法进行三维数据重建得到的声场空间声强分布结构图。

采用Voxler软件对超声聚焦换能器声场的三维显示以及切片显示，如图7(a)、图7(b)以及图8(a)、图8(b)所示。

如图7(a)、图7(b)所示，超声生源发射的超声声场在三维空间沿着声轴方向在20*20*50的空间内的分布图，中间红色部分为声强-3dB以内分布、黄色-3Db～-6dB分布、绿色为声强小于-6dB的部分。通过应用Voxler三维重建可视化技术可以形象真实地反映出超声源发射的超声声场在三维空间中的结构分布。如图8(a)、图8(b)所示，为显示超声声场1/2和1/4分割空间分布结构。

通过声场空间可视化，可以直观评价超声换能器发射产生声场的空间分布情况。配合其他相关声场参数的测量，能够为超声换能器的使用评价提供一定的依据。

7.2波束宽度测量

声场强度从声轴最大值下降3dB(或6db、10db)时所对应的宽度(mm)来表示波束宽度的测量值，空间扫描得到的数据在不同位置处x-y平面的显示如图10所示，图10(a)显示的是z＝10mm处x-y平面的声强分布，图10(b)显示的是z＝20mm处x-y平面的声强分布。根据-3db、-6db对应的离散值点，利用最小二乘法计算出对应的圆直径D-3db、D-6db，从而得到相对应的超声波波束宽度。测量结果如表5所示。

表5频率为2.5MHz的超声声源波束宽度估计值

2.5MHz探头波束宽度(mm)	-3dB	-6dB
			Z＝10mm	3mm	4mm
Z＝20mm	4mm	6mm

7.3波束扩散角的计算

波束宽度反映的是超声声场在x-y平面的分布特性，在x-z平面通常采用波束扩散角来描述其声场分布特性。

图11可视化的结果以及表5中在Z＝10mm和z＝20mm处的波束宽度数据，可以计算出该超声源换能器的波束扩散角为：

在-3dB处：

则：

在-6dB处：

则：

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.用于经颅刺激系统数据测试的测量方法，其特征在于：提供用于测试的超声源以及用于接收超声源信号的接收模块，将超声源与接收模块置于容器内，所述容器内存储有用于传播超声源的介质；

改变超声源与接收模块之间的相对位置，并接收和记录超声源信号；

建立超声源位置与超声源信号之间的映射关系，完成测试。

2.根据权利要求1所述的用于经颅刺激系统数据测试的测量方法，其特征在于：所述超声源静止，所述接收模块沿着第一方向、第二方向或第三方向的延伸方向运动，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向的延伸方向的位置关系为两两相交。

3.根据权利要求1所述的用于经颅刺激系统数据测试的测量方法，其特征在于：所述接收模块静止，所述超声源沿着第一方向、第二方向或第三方向的延伸方向运动，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向的延伸方向的位置关系为两两相交。

4.根据权利要求1所述的用于经颅刺激系统数据测试的测量方法，其特征在于：所述超声源与接收模块均沿着第一方向、第二方向或第三方向的延伸方向运动，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向的延伸方向的位置关系为两两相交。

5.用于经颅刺激系统数据测试的测量系统，其特征在于：包括用于放置介质的容器、用于传播超声源的介质、用于测试的超声源、用于接收超声源信号的接收模块和驱动模块；

所述驱动模块与接收模块连接，且所述驱动模块能够带动所述接收模块沿着第一方向、第二方向或第三方向的延伸方向运动，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向的延伸方向的位置关系为两两相交。

6.根据权利要求5所述的用于经颅刺激系统数据测试的测量系统，其特征在于：所述接收模块包括水听器、前置放大器、DC耦合器和示波器；

所述水听器采集介质中的超声源信号，再通过前置放大器进行信号放大，然后通过DC耦合器进行信号耦合，最后通过示波器进行信号展示。

7.根据权利要求5所述的用于经颅刺激系统数据测试的测量系统，其特征在于：所述接收模块的接收空间参数包括每个面的扫描点数、扫描方式、扫描面数、扫描密度和扫描速度。

8.根据权利要求5所述的用于经颅刺激系统数据测试的测量系统，其特征在于：所述接收模块的接收路径为S型路径。