CN110530539A - 一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模(1)，其包括：体模外壳、声‑热仿组织材料(13)和支护板(9)；体模外壳内部灌充声‑热仿组织材料(13)；该体模外壳包括：底板(16)、前框架板(2)、后框架板(4)、两个金属面板(3)、侧连接面板(12)、侧面板(11)、顶部连接面板(10)、平面声窗(5)、第一凹面声窗(6)、第二凹面声窗(7)和第三凹面声窗(8)；靠近底板(16)的两端处对称地开有两个固定螺孔，分别通过第一螺栓(19)和第二螺栓(20)穿过对应的固定螺孔，并固定在支护板(9)上；靠近底板(16)的中心处对称地开有两个圆孔，并通过第一封口橡皮(17)和第二封口橡皮(18)封堵所述两个圆孔。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械质量检测技术领域，具体涉及一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模。
背景技术
医用超声诊断-监护设备是经由超声探头向人体指定部位发射一定频率、强度和形式的超声波，接收、处理反射-散射回波信号，然后以图像、图形、数字、声音等形式展示该部位的生理和病理信息，从而对疾病、损伤的有无、性质、程度做出判断，或者对人体体征参数进行监测的复杂系统。然而，所发超声波在作为信息载体的同时，也是力和能量的载体，将以辐射力、声流和组织吸收声能后转化成的热能作用于组织，有些情况下还会引发空化，空化又引发高温、高压作用于组织。当声压、声强高到一定程度时，其中的一种或数种作用将引起组织的破坏或变性，即发生生物学效应。为此，相关单位和专家们一致在寻求适当的物理参数表征和控制诊断用超声的输出幅度。但后来发现，经由超声探头对人体组织造成伤害的，还有换能元件自身产生的热量和导致的温升。为此，国际电工委员会(IEC)和我国的医用超声诊断-监护设备基础安全和紧要性能专用标准已经将其涵盖在内。按照标准规定，超声探头表面温度的测量分为模仿使用状态和模仿空载状态两种情况。其中，模仿使用状态的测量，是在以负载体模作为负载的情况下，利用薄膜或丝状热电偶进行；模仿空载状态的测量，是在没有任何耦合媒质和负载媒质的情况下，利用薄膜或丝状热电偶进行。
针对这一需求，英国国家物理实验室研制了一个称为“表面温度检测体模(surface temperature test phantom)”的装置，系在有机玻璃圆筒内灌注一层厚度约11cm的琼脂凝胶型声-热仿组织材料，首先，该装置的名称是不准确的，作为体模其仅仅是作为超声探头负载的人体组织替代物，而不是一种测量手段。使用时，临时覆盖一片室温硫化硅橡胶组合成体模装置，其顶面呈平面。但平面声窗仅适用于平面线阵探头，不适用于临床所用占绝大多数的凸阵探头；另外，其内声程过短，无法保证超声波的有效衰减，且其侧壁传热不佳，均会导致探头表面温度测值的偏差；其开放式结构将导致液体蒸发损失，从而造成仿组织材料声-热特性的改变，故仅能用于短期研究实验，不能作为固定设备长期(数年)使用。再者，其开放式结构还导致无法在水浴中使用。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的负载体模存在上述缺陷本发明提供了一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模，作为超声探头的负载，在模仿超声探头使用状态下进行超声探头表面温度的测量，具有平面和多种曲率凹面声窗，可确保现有各种体表超声探头辐射面的适形耦合，不致因耦合不佳影响探头表面温度的测量结果。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模，所述负载体模的结构包括：体模外壳、声-热仿组织材料和支护板；所述体模外壳固定在支护板上，体模外壳内部灌充声-热仿组织材料；其中，所述体模外壳为不规则六面体结构；所述体模外壳进一步包括：底板、前框架板、后框架板、两个金属面板、侧连接面板、侧面板、顶部连接面板、平面声窗、第一凹面声窗、第二凹面声窗和第三凹面声窗；靠近底板的两端处对称地开有两个固定螺孔，分别通过第一螺栓和第二螺栓穿过对应的固定螺孔，并固定在支护板上；靠近底板中心处对称地开有两个圆孔，并通过第一封闭橡皮和第二封闭橡皮封堵所述两个圆孔；体模外壳的顶部设有第二凹面声窗和第三凹面声窗，且二者之间连接有顶部连接面板；体模外壳的顶部与底部之间通过相对放置的侧连接面板和侧面板、相对放置的前框架板和后框架板连接，侧连接面板上设有平面声窗和第一凹面声窗；前框架板的中部和后框架板中部均镶嵌导热金属面板。
在上述技术方案中，所述体模外壳采用有机玻璃板相互粘结制成。其中，底板中部的内壁上粘贴有底面吸声内衬；侧面板的内壁上粘贴有侧面吸声内衬，用于吸收入射的超声波，消除因其反射导致的声-热仿组织材料温度升高。
在上述技术方案中，靠近支护板的两端处对称地开有固定螺孔，且支护板上的固定螺孔位置与底板上的固定螺孔位置一一对应。
在上述技术方案中，所述声-热仿组织材料为水性高分子凝胶基复合材料，用于模仿人体组织的声学和热学特性，具有标准规定的声学特性和热学特性。其中，仿组织材料声学特性参数包括：声速(1540±10)m/s、声衰减系数斜率(0.5±0.1)dB/(cm·MHz)；热学特性参数包括：比热(3500±500)J/(kg·K)、导热率(0.5±0.1)W/(m·K)。该声-热仿组织材料具有可保养性，可以通过保养液维护保养，所述保养液经底板上的第一封闭橡皮和第二封闭橡皮注入，可确保其声学、热学特性稳定不变。
在上述技术方案中，声-热仿组织材料内单向声程均在18cm以上，可确保往返超声波的有效衰减，不会干扰测温热电偶附近的温度场。
在上述技术方案中，所述侧连接面板上设有第一开口和第二开口；第二开口位于第一开口之上；第一开口处粘结平面声窗，兼用于耦合平面线阵探头和曲率半径为76mm的凸阵探头；第二开口处粘结第一凹面声窗，其外露表面曲率半径选用值为10mm、15mm和20mm，其优选值为20mm，兼用于耦合曲率半径为20mm、15mm、10mm的凸阵探头。
在上述技术方案中，所述顶部连接面板上设有第三开口和第四开口，且第三开口与第四开口之间通过顶部连接面板连接；第三开口处粘结第二凹面声窗，其外露表面的曲率半径选用值为30mm和40mm，优选为40mm，兼用于耦合曲率半径为40mm和30mm的凸阵探头；第四开口处粘结第三凹面声窗，其外露表面的曲率半径选用值为50mm和60mm，优选值为60mm，兼用于耦合曲率半径为60mm和50mm的凸阵探头。
在上述技术方案中，所述金属面板采用不锈钢材料制成，用于实现声-热仿组织材料与体模外部环境之间快速的热量交换，以保持内外具有相同温度。
在上述技术方案中，所述平面声窗、第一凹面声窗、第二凹面声窗和第三凹面声窗均采用热硫化硅橡胶制成；其声学和热学特性参数模仿人体表皮组织。
在上述技术方案中，所述第一封闭橡皮和第二封闭橡皮通过胶粘封堵靠近底部面板的中心处的两个圆孔，圆孔首先用作声-热仿组织材料灌充入口，封堵后作为保养液注射位置；其中，所述第一封闭橡皮和第二封闭橡皮均采用真空橡胶制成。
在上述技术方案中，所述负载体模既可用于空气环境中，也可用于水浴环境中。所述负载体模对体表超声探头的测温方式包括：非水浴温升测试和水浴温升测试。
本发明的优点在于：
1、本发明的负载体模以具有良好传热特性和材质稳定的不锈钢薄板作为外壳的一部分，确保所灌充的声-热仿组织材料快速取得并恒定在标准规定的外部环境温度。
2、声-热仿组织材料内的单向声程均在18mm以上，并在所发超声波束的前方敷设有吸声内衬，可确保其有效衰减，不致影响测温热电偶附近的热场和探头表面温度的测值。
3、体模外壳为全封闭结构，既有利于声-热仿组织材料成分的稳定，又便于在标准规定的空气和水浴两种环境下使用。
4、声-热仿组织材料具有可保养性，可经由底板上的第一封闭橡皮和第二封闭橡皮注射保养液，确保材料成分和声-热特性稳定，具有长使用寿命。
附图说明
图1是本发明的一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模的前视图；
图2是本发明的一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模的前视剖面图；
图3是本发明的一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模对平面线阵探头进行非水浴法测量的示意图；
图4是本发明的一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模对凸阵探头进行非水浴法测量的示意图；
图5是本发明的一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模对平面线阵探头进行水浴法测量的示意图；
图6是本发明的一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模对凸阵探头进行水浴法测量的示意图。
附图标记：
1、负载体模 2、前框架板
3、金属面板 4、后框架板
5、平面声窗 6、第一凹面声窗
7、第二凹面声窗 8、第三凹面声窗
9、支护板 10、顶部连接面板
11、侧面板 12、侧连接面板
13、声-热仿组织材料 14、侧面吸声内衬
15、底面吸声内衬 16、底板
17、第一封闭橡皮 18、第二封闭橡皮
19、第一螺栓 20、第二螺栓
21、热电偶导丝 22、热电偶式点温计
23、超声耦合剂 24、平面线阵探头
25、平面线阵探头声透镜 26、凸阵探头
27、凸阵探头声透镜 28、控温水槽
29、蒸馏水 30、温度计
31、水面
具体实施方式
如图1、2所示，本发明提供了一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模，其结构包括体模外壳、声-热仿组织材料7和支护板9；所述体模外壳固定在支护板9上，体模外壳内部灌充声-热仿组织材料7；其中，所述体模外壳为不规则六面体结构；如图2所示，所述体模外壳进一步包括：底板16、前框架板2、后框架板4、两个金属面板3、侧连接面板12、侧面板11、顶部连接面板10、平面声窗5、第一凹面声窗6、第二凹面声窗7和第三凹面声窗8；靠近底板16的两端处对称地开有两个固定螺孔，分别通过第一螺栓19和第二螺栓20穿过对应的固定螺孔，并固定在支护板9上；靠近底板16的中心处对称地开有两个圆孔，并通过第一封闭橡皮17和第二封闭橡皮18封堵所述两个圆孔；体模外壳的顶部设有第二凹面声窗7和第三凹面声窗8，且二者之间连接有顶部连接面板10；体模外壳的顶部与底部之间通过相对放置的侧连接面板12和侧面板11、相对放置的前框架板2和后框架板4连接，侧连接面板12上设有平面声窗5和第一凹面声窗6；前框架板2的中部和后框架板4中部均镶嵌导热金属面板3。
在上述技术方案中，所述体模外壳采用有机玻璃板相互粘结制成；如图2所示，底板16中部的内壁上粘贴有底面吸声内衬15；侧面板11的内壁上装有侧面吸声内衬14，用于吸收入射的超声波，消除因其反射导致的声-热仿组织材料13温度升高。
在上述技术方案中，如图2所示，靠近支护板9的两端处对称地开有固定螺孔，且支护板9上固定螺孔的位置与底板16上固定螺孔的位置一一对应，通过第一螺栓19和第二螺栓20穿过对应的固定螺孔，并固定在支护板9上。
在上述技术方案中，所述声-热仿组织材料13为水性高分子凝胶基复合材料。具有标准规定的声学特性和热学特性。其中，仿组织材料声学特性参数包括：声速(1540±10)m/s、声衰减系数斜率(0.5±0.1)dB/(cm·MHz)；其热学特性参数包括：比热(3500±500)J/(kg·K)、导热率(0.5±0.1)W/(m·K)。该仿组织材料具有可保养性，可利用经第一封闭橡皮和第二封闭橡皮注入的保养液，补充透过外壳材料间隙的蒸发损失，保持其成分和声学、热学特性的稳定不变，确保体模的使用寿命长达数年之久，成为名符其实的产品质量检验固定设备。
在上述技术方案中，如图2所示，所述声-热仿组织材料内的单向声程均在18cm以上，可确保入射超声波充分衰减，不致影响测温热电偶附近的热场和探头表面温度的测值。
在上述技术方案中，如图2所示，所述侧连接面板12上设有第一开口和第二开口；第二开口位于第一开口之上；第一开口处粘结平面声窗5，兼用于耦合平面线阵探头和曲率半径为76mm的凸阵探头；第二开口处粘结第一凹面声窗6，其外露表面的曲率半径为20mm，兼用于耦合曲率半径为20mm、15mm、10mm的凸阵探头；也可根据具体需要，将其外露表面的曲率改为15mm或10mm。
在上述技术方案中，所述顶部连接面板10上设有第三开口和第四开口，且第三开口与第四开口之间通过顶部连接面板10连接；第三开口处粘结第二凹面声窗7，其外露表面的曲率半径为40mm，兼用于耦合曲率半径为40mm和30mm的凸阵探头；也可根据具体需要，将其外露表面的曲率半径改为30mm；第四开口处粘结第三凹面声窗8，其外露表面的曲率半径为60mm，兼用于耦合曲率半径为60mm和50mm的凸阵探头；也可根据具体需要，将其外露表面的曲率半径改为50mm。
在上述技术方案中，所述金属面板3采用不锈钢材料制成，用于实现声-热仿组织材料13与体模外部环境之间的快速热量交换，使内外具有相同温度。
在上述技术方案中，所述平面声窗5、第一凹面声窗6、第二凹面声窗7和第三凹面声窗8均采用热硫化硅橡胶制成。
在上述技术方案中，所述第一封闭橡皮17和第二封闭橡皮18通过胶粘封堵靠近底部面板16的中心处的两个圆孔，封闭前用作声-热仿组织材料13灌充入口，封闭后用作保养液注射位置，所述第一封闭橡皮17和第二封闭橡皮18均采用真空橡胶制成。
在上述技术方案中，所述负载体模1既可用于空气环境中，也可用于水浴环境中。所述负载体模1对体表超声探头的测温方式包括：非水浴温升测试和水浴温升测试。
其中，如图3-图6所示，非水浴法测温是将负载体模1露置于空气中，并保持环境温度恒定，然后将被测探头的辐射面与相应的声窗耦合，使用热电偶式点温计22测量该超声探头表面的温度变化。水浴法测温是将负载体模1置于控温水槽28中，通过水槽的温度控制机构使负载体模1取得并恒定在水浴的温度，然后将被测超声探头与相应的声窗耦合，使用热电偶式点温计22测量该超声探头表面的温度变化。
如图3和图4所示，负载体模1分别对平面线阵探头24或凸阵探头26进行非水浴法测温的实例。在使用负载体模1时，需要将负载体模1、被测超声探头和超声耦合剂23置于装有空调器的房间内或大房间内的小隔离间内，房间或隔间温度控制在23±3℃范围内，维持3小时，以使负载体模1内的声-热仿组织材料13取得外部环境的温度，并记录外部环境温度的确切值；按照测得的被测超声探头辐射面的形状(平面线阵探头声透镜25/凸阵探头声透镜27曲率)选择对应的声窗，以使被测超声探头辐射面与对应的声窗取得尽量大的接触面积；并在对应的声窗中部放入适量超声耦合剂23使其充分耦合。然后将热电偶导丝21置于被测超声探头辐射面和对应的声窗之间，使三者耦合妥贴，将被测超声探头的手柄用机械装置固定。连接被测超声探头和被检超声设备，并将被测超声设备开机，按规定时间完成预热。将被检超声设备屏幕显示“解冻”，使被测超声探头处于工作状态，并持续30分钟。从热电偶式点温计22的表头上读取被检超声探头辐射面的温度并予以记录，其值与外部环境温度之差不超过10℃为合格。
如图5和6所示，负载体模1分别对平面线阵探头24或凸阵探头26进行水浴法测温的实例。使用水浴法测温时，需要将负载体模1放入控温水槽28内，该控温水槽28应具有加热和搅拌功能，并可测量水温。向控温水槽28内加入蒸馏水29至高出负载体模试件上表面约1cm；将水温设定在33℃，开启控温水槽28的搅拌和加热功能，维持3小时，以使负载体模1内的仿组织材料13取得水浴温度。依据被测超声探头辐射面形状(平面线阵探头声透镜25/凸阵探头声透镜27曲率)选择对应的声窗，以使被测超声探头辐射面与声窗取得尽量大的接触面积。将控温水槽28内的蒸馏水29取出一部分，使该声窗露出水面，具体见图5中平面声窗5与水面31的关系；对于凹面声窗见图6中所示，应露出第二凹面声窗7的最低处，以保证第二凹面声窗7完全露出水面31；在对应的声窗中央部位堆放适量超声耦合剂23，将热电偶导丝21置于探头辐射面和对应的声窗之间，使三者耦合妥贴，将探头的手柄用机械装置固定。连接被测超声探头和被检超声设备，并将被测超声设备开机，按规定时间完成预热。将被测超声设备屏幕显示“解冻”，使被测超声探头处于工作状态，对于不具备自动冻结功能的超声探头，其工作持续时间为30分钟；具备自动冻结功能的探头，当其自动冻结前的时间长度小于30分钟时，令其立即再次启动，直至凑足30分钟，保证其持续工作30分钟。从热电偶式点温计22的表头上读取探头辐射面的温度并予以记录，其值不超过43℃，即与环境温度之差不超过10℃为合格。
在其他具体实施例中，所述蒸馏水29可被替换为去离子水。
最后应予说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求中。
Claims (11)
1.一种用于体表超声探头表面温度测量的负载体模(1)，其特征在于，其包括：体模外壳、声-热仿组织材料(13)和支护板(9)；所述体模外壳固定在支护板(9)上，体模外壳内部灌充声-热仿组织材料(13)；其中，所述体模外壳为不规则六面体结构；所述体模外壳进一步包括：底板(16)、前框架板(2)、后框架板(4)、两个金属面板(3)、侧连接面板(12)、侧面板(11)、顶部连接面板(10)、平面声窗(5)、第一凹面声窗(6)、第二凹面声窗(7)和第三凹面声窗(8)；靠近底板(16)的两端处对称地开有两个固定螺孔，分别通过第一螺栓(19)和第二螺栓(20)穿过对应的固定螺孔，并固定在支护板(9)上；靠近底板(16)的中心处对称地开有两个圆孔，并通过第一封口橡皮(17)和第二封口橡皮(18)封堵所述两个圆孔；体模外壳的顶部设有第二凹面声窗(7)和第三凹面声窗(8)，且二者之间连接有顶部连接面板(10)；体模外壳的顶部与底部之间通过相对放置的侧连接面板(12)和侧面板(11)、相对放置的前框架板(2)和后框架板(4)连接，侧连接面板(12)上设有平面声窗(5)和第一凹面声窗(6)；前框架板(2)的中部和后框架板(4)中部均镶嵌导热金属面板(3)。
2.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，所述体模外壳采用有机玻璃板相互粘结制成；其中，底板(16)的中部内壁上粘贴有底面吸声内衬(15)；侧面板(11)的内壁上粘贴有侧面吸声内衬(14)。
3.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，靠近支护板(9)的两端处对称地开有固定螺孔，且支护板(9)上的固定螺孔的位置与底板(16)上的固定螺孔位置一一对应。
4.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，所述声-热仿组织材料(13)为水性高分子凝胶基复合材料；所述水性高分子凝胶基复合材料通过保养液维护保养，所述保养液经底板(16)上的第一封闭橡皮(17)和第二封闭橡皮(18)注入。
5.根据权利要求4所述的负载体模(1)，其特征在于，声-热仿组织材料内单向声程均在18cm以上。
6.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，所述侧连接面板(12)面上设有第一开口和第二开口；第二开口位于第一开口之上；第一开口处粘结有平面声窗(5)；第二开口处粘结有第一凹面声窗(6)。
7.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，所述顶部连接面板(10)上设有第三开口和第四开口，且第三开口与第四开口之间通过顶部连接面板(10)连接；第三开口处粘结有第二凹面声窗(7)；第四开口处粘结有第三凹面声窗(8)。
8.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，所述金属面板(3)采用不锈钢材料制成，用于实现声-热仿组织材料(13)与体模外部环境之间快速的热量交换。
9.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，所述平面声窗(5)、第一凹面声窗(6)、第二凹面声窗(7)和第三凹面声窗(8)均由热硫化硅橡胶制成。
10.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，所述第一封闭橡皮(17)和第二封闭橡皮(18)通过胶粘封堵靠近底板(16)的中心处的两个圆孔，其中，所述第一封闭橡皮(17)和第二封闭橡皮(18)均采用真空橡胶制成。
11.根据权利要求1所述的负载体模(1)，其特征在于，所述负载体模(1)对体表超声探头的测温方式包括：非水浴温升测试和水浴温升测试。
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