超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率測(cè)試方法的研究

【作 者】黃濤，王龍軍

國家食品藥品監(jiān)督管理局湖北醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，武漢市，430077

超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率測(cè)試方法的研究

【作 者】黃濤，王龍軍

國家食品藥品監(jiān)督管理局湖北醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，武漢市，430077

該文介紹了如何快捷地利用水聽器掃描法和脈沖序列理論相結(jié)合的方法測(cè)試和計(jì)算超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率，然后論證了水聽器掃描法和脈沖序列理論相結(jié)合的方法的可行性，以及具體的推導(dǎo)和計(jì)算超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率的方法。

超聲經(jīng)顱多普勒；水聽器；脈沖序列理論；聲輸出功率

0 引言

超聲經(jīng)顱多普勒（Transcranial Doppler, TCD）是利用超聲多普勒效應(yīng)檢測(cè)顱內(nèi)動(dòng)脈環(huán)上各個(gè)主要?jiǎng)用}血流動(dòng)力學(xué)生理參數(shù)的一種無創(chuàng)檢測(cè)方法[1]。目前的TCD檢測(cè)儀器主要分為兩種：脈沖波多普勒（Plused Wave Doppler，PW）和連續(xù)波多普勒（Continuous Wave Doppler，CW）[2]。不同工作方式的超聲經(jīng)顱多普勒控制聲輸出功率的參數(shù)也是不一樣的，對(duì)于脈沖波多普勒來說，改變發(fā)射功率，采樣容積以及血流速度都可以改變聲輸出功率；對(duì)于連續(xù)波多普勒來說，相對(duì)較為簡(jiǎn)單，只有發(fā)射功率來控制聲輸出功率。不管是脈沖波多普勒還是連續(xù)波多普勒，現(xiàn)有的機(jī)器配置的聲輸出功率的動(dòng)態(tài)范圍都比較大，控制參數(shù)設(shè)置不同，聲輸出功率可以從幾十微瓦到幾百毫瓦。

目前采用毫瓦功率計(jì)（測(cè)量范圍：0～100 mW）和聲輻射力天平（測(cè)量范圍：0～30 W）來測(cè)量超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率，對(duì)于低功率下兩者均不能滿足測(cè)量要求，同時(shí)在較高聲輸出功率條件下，雖能夠測(cè)量，但是非常耗時(shí)，由于發(fā)射功率、采樣容積以及血流速度多種因素的影響下，如何快捷、可靠地評(píng)價(jià)出每一種設(shè)置下超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率的大小，以及遵守國際ALARA（As Low As Reasonably Achievable）公約[3]，就顯得格外的重要?；谶@個(gè)問題，提出水聽器掃描法和脈沖序列理論相結(jié)合的方法來快速計(jì)算出超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率。

1 研究方法的可行性分析

目前超聲經(jīng)顱多普勒機(jī)器控制聲輸出功率主要的途徑有以下幾點(diǎn)：一是功率設(shè)置，通過調(diào)節(jié)機(jī)器的功率輸出，改變輸出脈沖的幅度；二是流速的設(shè)置，改變機(jī)器輸出脈沖的重復(fù)周期；三是采樣容積的設(shè)置，改變機(jī)器輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間[4]。對(duì)于現(xiàn)有的脈沖波多普勒機(jī)器來說，影響聲輸出功率的因素可以歸納為以上三點(diǎn)；連續(xù)波多普勒機(jī)器僅與第一點(diǎn)有關(guān)。

基于對(duì)超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出控制參數(shù)的分析，通過水聽器掃描來計(jì)算出聲輸出功率。使用水聽器計(jì)算功率如下式所示：

式中，P為輸出功率，I為空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)，S為探頭在聲場(chǎng)的空間分布區(qū)域?？臻g峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)I又可由下式所示：

由(2)和(3)式可繼續(xù)推導(dǎo)出空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)為：

式中，ρ為媒介的密度，c為聲在媒介中的傳播速度，U為換能器發(fā)射出來經(jīng)水聽器轉(zhuǎn)換電信號(hào)幅值，ML為水聽器相應(yīng)頻率下的靈敏度響應(yīng)級(jí)數(shù)，T為脈沖重復(fù)周期，t為脈沖的持續(xù)時(shí)間。由以上公式推導(dǎo)則可以得到輸出功率P為[5]：

基于上述的理論分析，對(duì)于超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率與發(fā)射功率、采樣容積以及流速存在以下的關(guān)系：流速和采樣容積一定的情況下，發(fā)射功率只改變發(fā)射電壓幅值，則通過(5)式得出超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率與機(jī)器的發(fā)射電壓的平方成線性關(guān)系；發(fā)射功率與采樣容積一定的情況下，流速只改變脈沖的重復(fù)周期，同理得出超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率與脈沖重復(fù)周期的倒數(shù)成線性關(guān)系；發(fā)射功率和流速一定的情況下，采樣容積改變脈沖的持續(xù)時(shí)間即脈沖聲壓有效值，同樣根據(jù)(5)式可得出超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率與采樣容積成線性關(guān)系。

2 聲輸出功率實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

2.1 聲輸出發(fā)射模塊

目前超聲經(jīng)顱多普勒機(jī)器中，無法自由調(diào)節(jié)發(fā)射功率、采樣容積以及流速的數(shù)值，為了更好地驗(yàn)證文中推論，采用超聲信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)單陣元探頭，模擬出超聲經(jīng)顱多普勒發(fā)射信號(hào)。發(fā)射模塊的裝置圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射模塊Fig.1 Transmitter module

其中任意信號(hào)發(fā)生器使用的Tektronix的AFG3052C。它具有50 MHz的頻帶輸出，同時(shí)具有各種發(fā)射波形設(shè)置，可自由設(shè)置發(fā)射波形的幅度，脈沖個(gè)數(shù)以及脈沖重復(fù)周期。傳感器使用的是奧利巴斯單陣元探頭，中心頻率為2.25 MHz。兩者配合使用可以很好地滿足測(cè)試需求。

2.2 聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)所使用的聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)由ONDA公司生產(chǎn)的AIMS III聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)和HNR-1594水聽器構(gòu)成[6]。結(jié)合相應(yīng)的Soniq軟件，可實(shí)時(shí)進(jìn)行聲場(chǎng)繪圖，自動(dòng)完成聲輸出功率的測(cè)量。兩者實(shí)物圖如圖2和圖3所示。

圖3 HNR-1594水聽器Fig.3 HNR-1594 hydrophone

將模擬發(fā)射模塊與聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)連接在一起，搭建整個(gè)超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率測(cè)試平臺(tái)[7]。實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量平臺(tái)如圖4所示。

圖4 聲強(qiáng)測(cè)量平臺(tái)Fig.4 The platform of ultrasonic intensity measurement

根據(jù)前文理論的分析，控制單一變量，對(duì)影響聲輸出功率的三個(gè)因素逐一改變，得出相應(yīng)測(cè)量結(jié)果。

3 測(cè)量結(jié)果

根據(jù)上述方法，根據(jù)測(cè)試平臺(tái)，連接好對(duì)應(yīng)的儀器，通過聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)獲取換能器的發(fā)射波形如圖5所示。信號(hào)發(fā)生器設(shè)置：峰峰值10 VPP，發(fā)射脈沖頻率2.25 MHz，脈沖個(gè)數(shù)10個(gè)。

圖5 換能器發(fā)射波形Fig.5 Transmitted waveform

圖6 函數(shù)發(fā)生器發(fā)射波形Fig.6 Generator transmitted waveform

通過聲強(qiáng)系統(tǒng)捕捉到發(fā)射波形并用軟件計(jì)算得出換能器在其中心頻率下工作，水聽器得到發(fā)射波形穩(wěn)定，與現(xiàn)有超聲經(jīng)顱多普勒發(fā)射信號(hào)一致，達(dá)到模擬發(fā)射信號(hào)的基準(zhǔn)，可進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

3.1 改變發(fā)射功率

在流速和采樣容積一定的情況下，改變發(fā)射功率即改變發(fā)射波形電壓幅值。通過（5）式得出，聲輸出功率與發(fā)射電壓的平方成線性關(guān)系，根據(jù)這樣的關(guān)系，在已知一個(gè)電壓值下的超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率能夠依次計(jì)算出其他發(fā)射電壓下聲功率值。數(shù)據(jù)結(jié)果見表1所示。

由表1的數(shù)據(jù)結(jié)果中可以看出，換能器激勵(lì)電壓在10 VPP到5 VPP時(shí)，利用水聽器掃描和脈沖序列理論相結(jié)合的方法推算不同激勵(lì)電壓下聲功率具有可靠性。在激勵(lì)電壓低于5 VPP以后，誤差較大，考慮到換能器在低于5 VPP下電轉(zhuǎn)聲的效率以及整機(jī)控制部分的匹配的關(guān)系[8]，導(dǎo)致誤差較大。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Measurement data

3.2 改變流速

在采樣容積和發(fā)射功率一定的情況下，改變流速范圍即改變發(fā)射脈沖的重復(fù)周期。由理論推導(dǎo)可知，聲輸出功率與脈沖重復(fù)周期的倒數(shù)成線性關(guān)系。同理，在已知一個(gè)重復(fù)周期下超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率便可計(jì)算出其他脈沖重復(fù)頻率下的聲輸出功率。數(shù)據(jù)結(jié)果見表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Measurement data

由表2結(jié)果明顯的看出，基于水聽器掃描和脈沖序列理論相結(jié)合的方法推算不同脈沖重復(fù)周期下超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率與實(shí)際測(cè)試值具有很高的一致性。

3.3 改變采樣容積

在流速和發(fā)射功率一定的情況下，改變采樣容積即改變發(fā)射脈沖持續(xù)的時(shí)間。由上述結(jié)論可知超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率與采樣容積成線性關(guān)系。同樣，在已知一個(gè)采樣容積下超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率便可計(jì)算其他采樣容積下的聲輸出功率。數(shù)據(jù)結(jié)果見表3所示。

表3 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.3 Measurement data

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，基于水聽器掃描和脈沖序列理論相結(jié)合的方法推算不同脈沖持續(xù)時(shí)間下超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率與實(shí)際測(cè)試值也是完全可行的。

4 結(jié)論

通過上述分析，可以看出，基于水聽器掃描和脈沖序列理論相結(jié)合的方法來計(jì)算超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率，不僅解決了低功率下功率計(jì)不能測(cè)試聲輸出功率問題，同時(shí)也大大縮短了超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率測(cè)試時(shí)間。這對(duì)于企業(yè)來說能夠很好地利用相應(yīng)的結(jié)論進(jìn)行機(jī)器機(jī)械指數(shù)和熱指數(shù)計(jì)算顯示，同時(shí)對(duì)于檢測(cè)機(jī)構(gòu)來說，減少了大量的測(cè)試工作。具有很強(qiáng)的可行性和操作性，在實(shí)際對(duì)比中，也具有很高的可靠性。

當(dāng)然，在實(shí)際測(cè)量過程中，也存在一些問題。水聽器的測(cè)試精度是本實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與穩(wěn)定的關(guān)鍵，一旦基準(zhǔn)偏離，那么通過理論推導(dǎo)出來的聲輸出功率也就沒有意義了。

總之，基于水聽器掃描和脈沖序列理論相結(jié)合的方法能夠快速、有效地計(jì)算超聲經(jīng)顱多普勒聲輸出功率，為實(shí)際測(cè)試中提供一種新的思路。

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[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 16846-2008 醫(yī)用超聲診斷設(shè)備聲輸出公布要求[S].

[5] 壽文德, 周剛, 夏榮民, 等. SJTU-1型醫(yī)用超聲診斷設(shè)備聲輸出測(cè)量系統(tǒng)的研制 [J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2004, 23(2): 1-6.

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[8] 林書玉. 超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社,2004.

Study of Acoustic Output Power Measurement of Transcranial Doppler Diagnostic amp; Monitor System

【 Writers 】HUANG Tao, WANG Longjun
State Food and Drug Administration Hubei Center for Medical Devices Quality Supervision and Testing, Wuhan, 430077

The fundamental concept, measuring and calculating of Transcranial Doppler Diagnostic amp; Monitor System acoustic output power are introduced according to hydrophone scanning method and pulsing sequences principle. Then, the feasibility of the method is demonstrated. Finally, the detail calculating method of Transcranial Doppler Diagnostic amp;Monitor System has been derived.

ultrasonic transcranial doppler, hydrophone, pulsing sequences principle, acoustic output power

R197.39

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.06.015

1671-7104(2017)06-0446-04

2017-03-17

黃濤，E-mail: htao2010@126.com