一种新型宽波束超声探头声场的研究

2010-08-08作者谢锡城徐百坤陈德伟

中国医疗器械杂志 2010年4期

关键词：衰减系数晶片声场

【作者】谢锡城，徐百坤，陈德伟

深圳市理邦精密仪器有限公司，广东，深圳，518067

超声多普勒胎儿监护因为无创、快捷等原因，在胎儿监护领域是一种普遍采用的方法[2]。而超声探头是获取胎儿心跳信息的关键部件，其性能的优劣直接影响监护结果的准确性。超声探头的结构则是影响其性能的重要因素。

本文通过建模仿真得到一种8晶片探头和12晶片探头的声场分布图，并据此对二者的声场性能进行对比分析，最后通过实验验证了仿真分析的正确性。

1 超声探头相关参数

1.1 探测的深度范围

临床研究表明，胎心距离超声探头的正常范围约为6～15 cm[4]，如图1所示。

图1 超声探头胎心监护模型Fig.1 The model of fetal monitoring of ultrasonic transducer

超声多普勒胎儿监护设备所能探测的深度范围，由主机和超声探头共同决定。主机控制探测信号的收发时序，决定了理论上的探测范围。为了保证监护结果的准确性，要求超声探头的辐射声场在胎心的深度范围内具备良好的穿透力、较大的覆盖面积和较为均匀的声场分布。如此，胎儿的心脏将处于一个均匀广大的声场空间中，监护结果准确可信，并且不会因意外的运动而导致胎心信号丢失。

1.2 胎儿监护中的超声衰减特征

胎儿监护中超声波的传播媒质是母体生物组织、羊水和胎儿生物组织。当超声波在生物组织中传播时，一部分声能由于媒质的粘滞性、热传导和多种复杂的弛豫过程，被转换成了媒质的热能而耗散掉；另一部分声能则由于生物媒质结构的不均匀性而被散射到其他方向。这两类原因导致了探测声能的衰减。

其中：α — 衰减系数，单位为Np/m (奈贝/米)；x1，x2— 超声波传播方向上的坐标；ξ (x1), ξ (x2) —两个坐标点上的振幅。

大量研究工作和实测数据表明，在生物组织中的声衰减系数远大于一般的均匀液体中。而且在1 MHz—7 MHz频率范围内，衰减系数与频率基本成线性关系，即频率越高衰减越大。假设按照0.5 cm皮组织层、1.5 cm脂肪层、1 cm子宫壁和14 cm羊水层的数值关系，建立简单模型，根据衰减系数[1]的定义可知振幅衰减函数表示为：A(α,x,f )=e-a.x.f

其中：皮组织的声衰减系数取0.23 Np.(cm.MHz)-1；脂肪层的声衰减系数取0.06 Np.(cm.MHz)-1；子宫壁的声衰减系数取0.12 Np.(cm.MHz)-1；羊水层的声衰减系数取0.0012 Np.(cm.MHz)-1。

2 探头声场的建模分析

2.1 单晶片声场建模分析

目前超声多普勒胎儿监护超声探头多采用多晶片的阵列结构，晶片数量和排布方式决定了声场性状。单个晶片是构成阵列的基本单元，建立其声场模型后，通过空间声场的干涉叠加得到整个阵列的辐射声场。为了简化模型，在所建模型中采用探头工作在连续波模式下。

本文所研究的基本阵列单元为圆形晶片，故可在柱坐标系下建立波动方程[3]。因压电晶片振动的驱动力为电场力，晶片厚度方向上的两面全部均匀镀银作为正负电极，驱动电压施加在正负极间，因此电场力（即晶片驱动力）为极轴对称的，故声场也是极轴对称的，即与极坐标角θ无关，此时柱坐标系下的波动方程可表示为：

本文所研究的探头晶片半径为a = 0.005m，工作频率为 f = 1MHz，水中声速为 c = 1500m/s，即可得到本文所研究的探头晶片的辐射声场解：

2.2 阵列声场建模分析

阵列声场是单晶片声场的干涉叠加。

设在前文所述的无量纲坐标系中，σ=0的平面上存在由N个晶片构成的任意分布的阵列，任意选取平面上一点作为坐标系原点（不失一般性地选取阵列中心空置点），如图2所示。

图2 无量纲柱坐标系示意图Fig.2 The non-dimension cylinder coordinates

图3 无量纲柱坐标系下任意晶片阵列示意图Fig.3 Crystal array in non-dimension cylinder coordinates

设第i个晶片的圆心位置为(ρi,αi)，晶片表面振速分布为ui(ξ')，该晶片在σ=σ0的平面上任意点P(σ0,ξ,θ)处的辐射声压为pi(σ0,ξ,θ)，该平面上的虚线圆为第i个晶片的向上投影，则整个晶片阵列在点pi(σ0,ξ,θ)处的辐射声压为：

图4 (a) 8晶片探头阵列结构 (b) 12晶片探头阵列结构Fig.4 (a) The 8 piezoelectric crystals array (b) The 12 piezoelectric crystals array

3 探头声场的仿真分析

3.1 实际探头的晶片阵列结构

本文研究的8晶片和12晶片探头的实际阵列结构如图4所示。

图5 8晶片(左)和12晶片(右)探头下方不同深度平面上的平均声强分布仿真图Fig.5 The mimic pattern of the Average Intensity in different depths under the surface of transducers of 8 crystals (left) &12 crystals (right)

3.2 实际探头声场的仿真

结合图3所示的探头晶片阵列结构，可推知：8晶片探头声场表达式：

根据上述公式(5)和(6)，编程仿真不同深度上的探头声场分布。仿真条件为：信号频率1 MHz，深度分别为探头下方6 cm、9 cm、12 cm和15 cm，仿真面积5 cm× 5 cm，栅格点上的仿真值为归一化平均声强分贝值。仿真图如图5所示。

3.3 仿真结果分析

1.随着深度的增加，8晶片探头声场逐渐呈现矩形分布，12晶片探头声场逐渐呈现圆形分布；

2.12晶片探头声场的覆盖面积大于8晶片探头；

3.12晶片探头声场的均匀性优于8晶片探头；

4 探头声场的实际测试

4.1 测试设备及环境

采用ONDA CORPORATION针式水听器，在脱气水自由场中获得数据。

4.2 测试方案

① 安装探头，保证其发射面水平；

② 安装水听器，保证其与探头发射面垂直；

③ 分别在探头下方6 cm、9 cm、12 cm和15 cm深度平面上做栅格扫描，得到所给定深度上的声场分布和声输出参数。

4.3 测试结果

4.3.1 声输出参数及声场分布

表1 实测不同深度上的声输出参数Tab.1 Ultrasonic output parameters in different depths

实际测量得到的不同深度上的归一化平均声强分布如图6所示：

图6 8晶片(左)和12晶片(右)探头下方不同深度平面上的平均声强分布实测图Fig.6 The mimic pattern of the Average Intensity in different depths under the surface of transducers of 8 crystals (left) &12 crystals (right)

4.3.2 实测结果分析

① 实测得到的声场分布与仿真结果吻合较好，证实了模型的正确性。

② 实测得到的声场分布形式和变化状况与3.3节的仿真结果分析相同；

③ 不同深度上两探头单位面积声功率Ib、Ispta和pr相当，无明显差异。

5 临床效果及结论

5.1 临床效果

图7 8晶片和12晶片探头临床效果对比Fig.7 The contrast of clinical performance of 8 crystals & 12 crystals ultrasonic transducer

将一个8晶片探头和一个12晶片探头同时接到具备独立双通道的EDAN F9胎儿母亲监护仪上，并同时放到同一个孕妇身上，用同一控制模块分时切换，采集的数据由同一处理器同一段算法分时计算，10 min后交换两个探头的位置（以避免探头与胎心位置的偏差造成的影响），将两个探头获取的胎心曲线分别打印出来，进行综合比较。两种探头监护获得的胎心曲线如图7中所示。相比较而言，12晶片陈列的探头性能优于8晶片。该图中用长方形框标出的部分，显示出8晶片陈列探头、监测的曲线者有模糊处，而12晶片阵列探头测得曲线此处仍十分清晰。