吳國(guó)光　李奇　陳上文

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交叉結(jié)構(gòu)超聲仿組織模體聲速測(cè)量方法*

吳國(guó)光1,2李奇2陳上文2

（1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院）

針對(duì)超聲仿組織模體內(nèi)部材料的聲速測(cè)量問(wèn)題，提出一種十字交叉結(jié)構(gòu)的雙探頭發(fā)射接收聲速測(cè)量方法。首先將超聲脈沖發(fā)射接收儀的高壓脈沖信號(hào)一分為二，同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)交叉分布的超聲換能器，并在接收端通過(guò)2個(gè)接收換能器接收透射時(shí)間差；然后測(cè)得模體的長(zhǎng)短邊距離，計(jì)算得到材料的聲速；最后通過(guò)搭建測(cè)量系統(tǒng)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法可提高聲速測(cè)量的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

交叉結(jié)構(gòu)；仿組織模體；聲速

0　引言

超聲仿組織模體是檢定醫(yī)用超聲診斷儀的重要設(shè)備，該模體腔內(nèi)填充TM材料與尼龍靶線，可檢測(cè)超聲診斷儀的盲區(qū)、探測(cè)深度、分辨力和幾何參數(shù) 等[1]。該模體對(duì)確保超聲診斷儀的量值準(zhǔn)確起到重要作用，但由于模體封閉在密閉外殼里，無(wú)法直接對(duì)內(nèi)部材料的幾何參數(shù)、聲速等進(jìn)行測(cè)量，模體的量值溯源問(wèn)題始終未能很好解決。

目前，針對(duì)仿組織模體聲速測(cè)量研究主要有：北京化工大學(xué)田旭等，采用脈沖取代法測(cè)量模體的聲速，該方法采用有無(wú)樣品的時(shí)間差計(jì)算聲速，但并未考慮外殼封裝帶來(lái)的聲速測(cè)量問(wèn)題，因此不適用于封裝模體的聲速測(cè)量[2]；上海交通大學(xué)李國(guó)偉等，采用脈沖透射法測(cè)量模體的聲速，主要針對(duì)模體材料測(cè)量，也未考慮封裝問(wèn)題[3]；以上研究與國(guó)標(biāo)GB/T 15261?2008超聲仿組織模體材料聲學(xué)特性的測(cè)量方法一致[4]，主要針對(duì)無(wú)外殼封裝的材料特性測(cè)量。但計(jì)量部門檢定使用的模體都采用亞克力外殼封裝，故國(guó)家質(zhì)檢總局于2016年發(fā)布實(shí)施了JJF 1556?2016超聲仿組織模體校準(zhǔn)規(guī)范[5]。其檢測(cè)方法是脈沖透射法，采用示波器測(cè)量超聲透射模體長(zhǎng)邊與短邊的時(shí)間差，再結(jié)合模體長(zhǎng)度信息換算出仿組織模體的聲速。該方法采用一對(duì)超聲換能器，在模體長(zhǎng)邊與短邊分別進(jìn)行2次時(shí)間測(cè)量，再相減得到時(shí)間差。在示波器中測(cè)量時(shí)間差難以選擇測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)采用2次測(cè)量較難提高測(cè)量精度。本文針對(duì)這些不足，提出一種雙探頭交叉分布、同時(shí)發(fā)射接收的方法。將換能器安裝在十字交叉的滑動(dòng)導(dǎo)軌上，只需一次測(cè)量即可獲得時(shí)間差參數(shù)，減少時(shí)間測(cè)量誤差與人為因素影響。同時(shí)在檢測(cè)下一個(gè)模體時(shí)，也無(wú)需再重復(fù)調(diào)整探頭位置，加快檢測(cè)效率。

1　聲速測(cè)量方法原理框圖

交叉結(jié)構(gòu)超聲仿組織模體聲速測(cè)量方法的原理框圖如圖1所示。

圖1　交叉結(jié)構(gòu)仿組織模體聲速測(cè)量方法原理框圖

該方法與傳統(tǒng)測(cè)量方法的主要區(qū)別是增加了BNC三通接頭、超聲換能器3（發(fā)射）、超聲換能器4（接收）和放大整形電路。超聲脈沖發(fā)射接收儀的脈沖高壓信號(hào)，通過(guò)BNC三通接頭將驅(qū)動(dòng)信號(hào)一分為二；超聲換能器1和超聲換能器3產(chǎn)生的超聲信號(hào)通過(guò)超聲仿組織模體后，分別由超聲換能器2和超聲換能器4接收，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；經(jīng)過(guò)放大整形電路后，進(jìn)入到示波器。由同步觸發(fā)信號(hào)和放大整形后的脈沖信號(hào)測(cè)量得到時(shí)間信息；再通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量得到模體的幾何參數(shù)；計(jì)算得到超聲仿組織模體內(nèi)材料的聲速。采用該方法測(cè)量聲速，可直接測(cè)量時(shí)間差信號(hào)，同時(shí)將信號(hào)整形為脈沖信號(hào)，避免時(shí)間測(cè)量點(diǎn)選取受人為測(cè)量的影響。

2　聲速測(cè)量方法計(jì)算過(guò)程

圖1中，2對(duì)超聲換能器以共軸方式布置在滑動(dòng)導(dǎo)軌上，通過(guò)耦合劑分別貼合在超聲仿組織模體外殼的長(zhǎng)邊與短邊平面。2路超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)模體后，由超聲換能器2與超聲換能器4接收轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路后，整形為TTL電平的脈沖信號(hào)，與示波器連接。超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后的波形示意圖如圖2所示。

圖2　接收信號(hào)放大整形后示意圖

示波器采用外部觸發(fā)源方式，將超聲脈沖發(fā)射接收儀的同步觸發(fā)信號(hào)作為外部觸發(fā)源。通過(guò)示波器的測(cè)量功能，可測(cè)得2個(gè)脈沖的時(shí)間差（2?1）。與采用一對(duì)換能器傳統(tǒng)方法不同的是，該方法的時(shí)間差只需要1次測(cè)量，并且是相對(duì)測(cè)量；而傳統(tǒng)方法為了得到時(shí)間差，需要2次測(cè)量，第一次在模體的短邊測(cè)量得到1?0，第二次則在長(zhǎng)邊測(cè)量，得到2?1，這2次測(cè)量值相減得到，同時(shí)相減也會(huì)引入測(cè)量誤差。

為獲得聲速，還需測(cè)量仿組織模體的幾何尺寸。被測(cè)對(duì)象超聲仿組織模體的結(jié)構(gòu)圖（俯視）如圖3所示。

圖3　超聲仿組織模體結(jié)構(gòu)圖（俯視）

通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量得到上述參數(shù)后，計(jì)算超聲仿組織模體的聲速公式為

其中，V為超聲仿組織模體內(nèi)部材料的聲速；1，2分別為模體的短邊與長(zhǎng)邊長(zhǎng)度；1，2分別為模體長(zhǎng)邊與短邊的外殼壁厚；為2個(gè)接收信號(hào)脈沖的時(shí)間差。

當(dāng)長(zhǎng)邊與短邊外殼壁厚相等時(shí)，即1=2，式(1)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

3　聲速測(cè)量系統(tǒng)搭建

采用型號(hào)為CTS-8077PR超聲脈沖發(fā)射接收儀搭建的交叉結(jié)構(gòu)超聲仿組織模體聲速測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。其中超聲換能器選用IP20，頻率為1 MHz；示波器采用ZDS4034Plus；放大整形電路的放大器選用壓控增益放大器VC810，可通過(guò)滑動(dòng)電阻器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；整形電路采用高速比較器TLV 3501，其比較門限電壓可調(diào)，可將放大后的超聲信號(hào)整形為脈沖信號(hào)。

圖4　交叉結(jié)構(gòu)超聲仿組織模體聲速測(cè)量系統(tǒng)

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文方法及系統(tǒng)的有效性，對(duì)一臺(tái)型號(hào)為KS 107BD（L)的超聲仿組織模體進(jìn)行試驗(yàn)。模體在環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間存放，可認(rèn)為模體溫度與環(huán)境溫度一致，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度24.2℃。實(shí)驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)完成，故不考慮溫度波動(dòng)影響。分別采用傳統(tǒng)方法單路換能器交替測(cè)量與本文提出的交叉結(jié)構(gòu)方法同時(shí)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。

傳統(tǒng)方法與本文方法接收信號(hào)波形分別如圖5、圖6所示。通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量得到超聲仿組織模體的幾何參數(shù)：2=1= 8.35 mm；1= 66.62 mm；2= 201.14 mm。在示波器中測(cè)量得到時(shí)間信息，并根據(jù)式(1)計(jì)算得到該模體內(nèi)部TM材料的聲速，對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6　交叉結(jié)構(gòu)超聲仿組織模體聲速測(cè)量方法接收信號(hào)波形圖

表1　聲速測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1與式(1)可以看出，時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)模體內(nèi)部材料聲速測(cè)量非常重要。采用傳統(tǒng)方法需進(jìn)行2次測(cè)量得到時(shí)間差信號(hào)，若選取的測(cè)量點(diǎn)不當(dāng)，則測(cè)量結(jié)果可能超出模體本身的特性參數(shù)，導(dǎo)致誤判（在溫度為（23±3）℃時(shí)，該模體的TM材料標(biāo)稱聲速為1540±10 m/s）。而本文方法則只需1次測(cè)量即可得到時(shí)間差，并且由于將波形整形為脈沖信號(hào)，時(shí)間測(cè)量點(diǎn)易于選取，測(cè)量結(jié)果符合模體自身的特性參數(shù)。

5　結(jié)論

本文闡述了一種超聲仿組織模體內(nèi)部材料聲速測(cè)量方法，在不增加較多硬件條件下，使時(shí)間測(cè)量點(diǎn)易于選取，且時(shí)間差可直接測(cè)量，無(wú)需2次測(cè)量相減。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：時(shí)間差測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)模體材料聲速測(cè)量非常重要；本文提出的方法與傳統(tǒng)方法相比，準(zhǔn)確性與實(shí)用性更高。由于本文提出方法將接收信號(hào)整形為脈沖信號(hào)，可進(jìn)一步與單片機(jī)外部中斷連接，無(wú)需示波器人為測(cè)量時(shí)間差，將極大降低硬件成本，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，這將在下一步研究工作中實(shí)現(xiàn)。

[1] 牛鳳岐.KS系列仿組織超聲體模簡(jiǎn)介[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器, 1992(3):34-35.

[2] 田旭,祝海江.超聲仿人體組織材料聲學(xué)參量測(cè)量研究[J].計(jì)量技術(shù),2009(4):10-13.

[3] 李國(guó)偉,陳亞珠.超聲體模及性能測(cè)試[J].聲學(xué)技術(shù),2000, 19(1): 26-29,33.

[4] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 15261?2008 超聲仿組織材料聲學(xué)特性的測(cè)量方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[5] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1556?2016超聲仿組織模體校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,2016.

Cross Structured Measurement Method of Sound Velocity of Ultrasound Tissue Mimicking Phantom

Wu Guoguang1,2Li Qi2Chen Shangwen2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology 2.Guangdong Provincial Institute of Metrology)

Aiming at the problem of measuring the sound velocity of the material inside the Tissue-mimicking phantom, a new method of measuring the sound velocity of the material by two-probe emission and reception with cross structure is proposed. By dividing the high-voltage pulse signal of the ultrasonic pulse emitter into two parts, and drive two cross-distributed ultrasonic transducers at the same time. The transmission time is received through two receiving transducers at the receiving end. The sound velocity of the material is calculated by measuring the long and short side distance of the module. The measurement system and validation experiments show that the method can improve the accuracy and practicability of sound velocity measurement.

Cross Structure; Tissue Mimicking Phantom; Sound Velocity

吳國(guó)光，男，1983年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：醫(yī)學(xué)計(jì)量與智能化檢測(cè)。E-mail: imguangzi@163.com

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018ZJ01）