CN114563077A - 一种基于piv的超声手术刀输出声功率测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其包括收纳容器，粒子图像测速仪，数字图像处理模块，声压计算模块，声压选择模块，以及输出声功率计算模块。所述收纳容器用于收容测试介质和示踪粒子。所述粒子图像测速仪用于记录不同时刻下所述示踪粒子的位置信息。所述数字图像处理模块用于对记录下的示踪粒子的位置信息进行处理以计算出该示踪粒子的速度V(r)。所述声压计算模块用于计算某一个示踪粒子的声压。所述声压选择模块用于根据所述声压计算模块所计算声压值选择一个最均匀的声压值平均值。所述输出声功率计算用于计算所述超声手术刀的输出声功率。本输出声功率测量系统既准确又耗时短，适应工业的需求，从而有利于降低成本，节约成本。

Description

一种基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统

技术领域

本发明涉及超声波手术器械检测领域，特别涉及一种基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统。

背景技术

超声外科手术系统是利用超声频率发生器驱动手柄和刀头以超声频率(55.5kHz)进行超声振动从而实施手术切割，切割时能使接触的组织细胞内的蛋白氢键断开，使破裂的血管凝固止血，同时实现切割和闭合，因而可靠性强，手术安全性大。目前超声外科手术系统是全球最领先的微创外科手术的基本主要辅助器械，也是全球及中国大中型医院常规的必备医疗设备用品，广泛应用于普通外科、妇产科、泌尿科。超声外科手术系统一般由三大部分组成：发生器、手柄和刀头。

超声波在一定媒介传播时，其会产生力学、热学、声学等响应，超声外科手术系统就是利用超声波的特性对组织产生机械作用、热作用和空化作用，进行相关的组织切割和闭合，从而实现临床的应用。由于临床应用涉及超声波的各个特性，所以对超声外科手术系统的输出特性进行测量评价，可准确评估系统的安全有效性，所以各国都对其输出特性的测量版本制定相关法规、规范和标准，如IEC 61847《Ultrasonics-surgical systems-Measurement and declaration of the basic output characteristics》和我国于2009年6月1日正式颁布并实施的YY/T0644-2008《超声外科手术系统基本输出特性的测量和公布》。这些文献都对超声外科手术系统的输出特性测量和评价方法进行规范，其中输出声功率主要通过量热计法和声压(水听器)法测量。现有的输出声功率的测量方法通常使用水听器法。水听器法是使用水听器获取示踪粒子的在每一个位置的声压值，然后再通过积分的方法算出超声手术刀的输出声功率。由于需要获取示踪粒子在第一个位置的声压值，其需要很多的时间，往往需要三四天的时间才能测量完一个超声手术刀，明显这不利于工业应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可以缩短测量时间的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统。

一种基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其用于测量所述超声手术刀的刀头的输出声功率。所述基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统包括一个收纳容器，一个用于测量粒子速度的粒子图像测速仪，一个与所述粒子图像测速仪电性连接的数字图像处理模块，一个与所述数字图像处理模块电性连接的声压计算模块，一个根据所述声压计算模块所得到的数据选择最佳声压值的声压选择模块，以及一个根据所述声压选择模块选择的声压值来计算输出声功率的输出声功率计算模块。所述收纳容器用于收容测试介质以及多个混合于该测试介质中的示踪粒子。当所述超声手术刀的刀头插入所述收纳容器中并工作时所述示踪粒子会在超声波声场的驱动下运动。所述粒子图像测速仪用于记录不同时刻下所述示踪粒子的位置信息。所述数字图像处理模块用于对记录下的示踪粒子的位置信息进行处理以计算出该示踪粒子的速度V(r)，其中r为某一个示踪粒子距刀头的距离。所述声压计算模块通过公式(1)计算某一个示踪粒子的声压：

p(r)＝V(r)ρc 公式(1)

其中，p(r)为r处的声压值；

V(r)为r处的速度值；

ρ为测试介质的密度；

c为声速。

所述声压选择模块用于根据所述声压计算模块所计算声压值选择在一个以刀头为球心，以r为半径的半球面，在该半球面上所述p(r)值最均匀。所述输出声功率计算模块根据声压选择模块所选择的r值处的速度V(r)并通过公式(2)计算所述超声手术刀的输出声功率：

P_ad＝2πr²|V(r)|²ρc

其中：P_ad为输出声功率。

进一步地，所述收纳容器为一个水槽，所述水槽由高透光材料制成。

进一步地，所述示踪粒子的直径小于1μs。

进一步地，所述超声手术刀的刀头插入所述测试介质的深度为50～100mm。

进一步地，所述测试介质为注入在所述水槽中的去气水，所述示踪粒子的密度与所述去气水的密度相接近。

进一步地，所述粒子图像测速仪所测到的数据为一个平面上的数据。

进一步地，所述粒子图像测速仪所测到的数据为一个立体空间中的数据。

进一步地，所述超声手术刀由一个发生器控制，所述发生器输入的波为正弦波，并当发生器所输出的值处于正弦波的最大值时所述粒子图像测速仪记录该刻下所述示踪粒子的位置信息。

进一步地，所述数字图像处理模块、声压计算模块、声压选择模块、以及输出声功率计算模块皆计算机执行其功能。

与现有技术相比，本发明提供的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统使用粒子图像测速仪来获得当超声手术刀工作时示踪粒子在超声波声场中的运动轨迹，从而利用数字图像处理模块来获得每一个示踪粒子在某一时刻的速度V(r)，再由所述声压计算模块来计算每一个示踪粒子相对应的声压。由于粒子图像测速仪获取示踪粒子的运动轨迹的时间很短，同时数字图像处理模块处理数据可以由计算机来计算得到，因此所述输出声功率测量系统的测量时间会很短，往往在几分钟即可完成。同时所述输出声功率测量系统具有声压选择模块，其在以刀头为球心，并以某一个示踪粒子至刀头为半径的半球面上寻找声压值最均匀的半球面，并以该半球面上的声压值作为参照来计算该超声手术刀的输出声功率，其结果完全符合标准，因此，本输出声功率测量系统的测量结果准确。综上所述，本发明的输出声功率测量系统既准确又耗时短，适应工业的需求，从而有利于降低成本，节约成本。

附图说明

图1为本发明提供的一种具有长寿命的超声波手术刀的部分分解结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。

如图1所示，其为本发明提供的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统的结构示意图。所述基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统包括一个收纳容器10，一个用于测量粒子速度的粒子图像测速仪20，一个与所述粒子图像测速仪20电性连接的数字图像处理模块30，一个与所述数字图像处理模块30电性连接的声压计算模块40，一个根据所述声压计算模块40所得到的数据选择最佳声压值的声压选择模块50，以及一个根据所述声压选择模块50选择的声压值来计算输出声功率的输出声功率计算模块60。可以想到的是，所述基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统还包括其他的一些功能模块，如计算机，激光照射装置，控制装置，电气连接组件等等，其为现有技术并为本领域技术人员所习知，在此不再一一详细说明。

所述收纳容器10可以为一个水槽，并由高透光材料制成，如亚克力，以利于所述粒子图像测速仪20对其进行拍照而获得测量数据。所述收纳容器10因为透光需求而无法添加吸声材料，因此可通过增大水槽尺寸或者采用触发模式来排除回波干扰。因此，所述收纳容器10的尺寸可以根据实际需要而设计。所述收纳容器10用于收容测试介质以及多个混合于该测试介质中的示踪粒子。所述测试介质应当为去气水，以减少干扰。同时所述测试介质与示踪粒子与现有技术中的水听器法所使用的测试介质与示踪粒子是一样的，因此在此对其不再详细说明。但为了保证测量数据的精确性，所述示踪粒子的密度与所述去气水的密度相接近,所述示踪粒子的直径小于1μm。当需要测量一个超声手术刀的输出声功率时，则要将该超声手术刀的刀头插入到该测试介质中，为了达到测量数量的精确性，该刀头的插入深度应当尽量深，在本实施例中，如图1所示，所述超声手术刀的刀头插入所述测试介质的深度为50～100mm。在所述超声手术刀的刀头插入测试介质后，发生器启动，刀头输出超声波，从而在测试介质中形成超声波声场。而所述示踪粒子在所述超声波声场中便会在超声波的振荡下以一定的速度发生移动。由于刀头形状的不规则，以及测试介质的阻力，因此所述测试介质在不同的位置具有不同的强度，因此示踪粒子在不同的位置的移动速度也是不同的。

所述粒子图像测速仪20本身为一种现有技术，其利用粒子图像测速(ParticleImage Velocimetry，简称PIV)原理并使用高速拍摄相机进行拍摄以获得示踪粒子的测量数据。粒子图像测速是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法，其基本原理是在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上，用以计算粒子的运动速度。在本实施例中，使用一个高速相机来示出所述粒子图像测速仪20，其可以记录不同时刻下所述示踪粒子的位置信息。不同的需求可以使用不同的粒子图像测速仪20，因此所述粒子图像测速仪20所测到的数据可以为一个平面上的数据，也可以为一个立体空间中的数据，这与所选用的设备不同而不同。在本实施例中，仅选用一台粒子图像测速仪20来获取示踪粒子的图像。

所述数字图像处理模块30与所述粒子图像测速仪20相连接，并用于处理来自该粒子图像测速仪20的图像，具体方法就是在一段时间内记录一个示踪粒子的两个位置的图像，并测量该两个位置的距离，从而即可计算得出该示踪粒子在该段时间的内的平均速度V(r)，其中V为某一个示踪粒子在某一段时间内的平均速度，r为某一个示踪粒子距刀头的距离。至于所述数字图像处理模块30的具体处理方法及所使用的软件或硬件，其应当为本领域技术人员所习知，在此不再赘述。可以理解的是，由于在所述收纳容器10布撒有多个示踪粒子，因此获得多个速度V(r)。

所述声压计算模块40用于通过公式(1)计算某一个示踪粒子的声压：

p(r)＝V(r)ρc 公式(1)

其中，p(r)为r处的声压值；

V(r)为r处的速度值；

ρ为测试介质的密度；

c为声速。

通过所述声压计算模块40，即可得出某一个示踪粒子在测量期间的声压。可以通过对所有示踪粒子的速度V(r)进行换算，即可以算出所有示踪粒子的声压。可以想到的是，所述声压计算模块40可以由一个计算机来执行，只要编制出合适的计算机程序。本领域技术人员应当明白的是，只要明白了本发明的思想，程序员就利用现有技术编程软件及编程技术编制出计算上述的声压的程序。

所述声压选择模块50用于选择合适的声压值来计算所述超声手术刀的输出声功率。根据超声手术刀的实际工作状态以及刀头发出的超声波的不规则性，选择声压时，应当选择一个恰当的值来计算输出声功率，这样计算出的输出声功率才可能更接近实际，更具有参考意义。因此，所述声压选择模块50可以根据所述声压计算模块30所计算得到的声压值来选择在一个以刀头为球心，以r为半径的半球面，并要求在该半球面上所述p(r)值最均匀。具体方法就是选择不同的r值，首先计算以刀头为球心，以该r值为半径的半球面上的示踪粒子的声压值，然后取平均值，如果该平均值的方差比较小，则可以认为以该r值半径的半球面上的声压值最均匀，并以该平均值来计算超声手术刀的输出声功率。

所述输出声功率计算模块60根据声压选择模块50所选择的r值处的声压平均值p(r)所对应的速度平均值V(r)并通过公式(2)计算所述超声手术刀的输出声功率：

P_ad＝2πr²|V(r)|²ρc 公式(2)

其中：P_ad为输出声功率。

当然可以想到的是，所述输出声功率计算模块60也是由计算机来执行，其执行方法及程序在此不再赘述。

另外，众所周知，通常所述超声手术刀都由一个发生器控制，且所述发生器输入的波为正弦波。由于正弦波的存在，使得超声手术刀的刀头的输出声功率也应当是由小变大，然后再由大变小的一个过程，而所要测量的声功率却都应当是输出最大值处的声功率，因此，当发生器所输出的值处于正弦波的最大值时给控制装置一个控制信号，然后所述粒子图像测速仪20在该控制信号的控制下启动并记录该时刻下所述示踪粒子的位置信息，从而即可以得到最大的声压平均值p(r)，进而可以节约测量时间。

与现有技术相比，本发明提供的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统使用粒子图像测速仪20来获得当超声手术刀工作时示踪粒子在超声波声场中的运动轨迹，从而利用数字图像处理模块30来获得每一个示踪粒子在某一时刻的速度V(r)，再由所述声压计算模块40来计算每一个示踪粒子相对应的声压。由于粒子图像测速仪20获取示踪粒子的运动轨迹的时间很短，同时数字图像处理模块处理数据30可以由计算机来计算得到，因此所述输出声功率测量系统的测量时间会很短，往往在几分钟即可完成。同时所述输出声功率测量系统具有声压选择模块50，其在以刀头为球心，并以某一个示踪粒子至刀头为半径的半球面上寻找声压值最均匀的半球面，并以该半球面上的声压值作为参照来计算该超声手术刀的输出声功率，其结果完全符合标准，因此，本输出声功率测量系统的测量结果准确。综上所述，本发明的输出声功率测量系统既准确又耗时短，适应工业的需求，从而有利于降低成本，节约成本。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用于局限本发明的保护范围，任何在本发明精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其用于测量所述超声手术刀的刀头的输出声功率，其特征在于：所述基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统包括一个收纳容器，一个用于测量粒子速度的粒子图像测速仪，一个与所述粒子图像测速仪电性连接的数字图像处理模块，一个与所述数字图像处理模块电性连接的声压计算模块，一个根据所述声压计算模块所得到的数据选择最佳声压值的声压选择模块，以及一个根据所述声压选择模块选择的声压值来计算输出声功率的输出声功率计算模块，所述收纳容器用于收容测试介质以及多个混合于该测试介质中的示踪粒子，当所述超声手术刀的刀头插入所述收纳容器中并工作时所述示踪粒子会在超声波声场的驱动下运动，所述粒子图像测速仪用于记录不同时刻下所述示踪粒子的位置信息，所述数字图像处理模块用于对记录下的示踪粒子的位置信息进行处理以计算出该示踪粒子的速度V(r)，其中r为某一个示踪粒子距刀头的距离，所述声压计算模块通过公式(1)计算某一个示踪粒子的声压：

p(r)＝V(r)ρc 公式(1)

其中，p(r)为r处的声压值；

V(r)为r处的速度值；

ρ为测试介质的密度；

c为声速；

所述声压选择模块用于根据所述声压计算模块所计算声压值选择在一个以刀头为球心，以r为半径的半球面，在该半球面上所述p(r)值最均匀，所述输出声功率计算模块根据声压选择模块所选择的r值处的速度V(r)并通过公式(2)计算所述超声手术刀的输出声功率：

P_ad＝2πr²|V(r)|²ρc

其中：P_ad为输出声功率。

2.如权利要求1所述的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其特征在于：所述收纳容器为一个水槽，所述水槽由高透光材料制成。

3.如权利要求2所述的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其特征在于：所述测试介质为注入在所述水槽中的去气水，所述示踪粒子的密度与所述去气水的密度相接近。

4.如权利要求1所述的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其特征在于：所述示踪粒子的直径小于1μs。

5.如权利要求1所述的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其特征在于：所述超声手术刀的刀头插入所述测试介质的深度为50～100mm。

6.如权利要求1所述的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其特征在于：所述粒子图像测速仪所测到的数据为一个平面上的数据。

7.如权利要求1所述的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其特征在于：所述粒子图像测速仪所测到的数据为一个立体空间中的数据。

8.如权利要求1所述的基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其特征在于：所述超声手术刀由一个发生器控制，所述发生器输入的波为正弦波，并当发生器所输出的值处于正弦波的最大值时所述粒子图像测速仪记录该刻下所述示踪粒子的位置信息。

9.如权利要求1所述基于PIV的超声手术刀输出声功率测量系统，其特征在于：所述数字图像处理模块、声压计算模块、声压选择模块、以及输出声功率计算模块皆计算机执行其功能。

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