超聲功率測量儀設計與研制

黃鴻新，徐紅蕾，胡昌明，鄭 燕，余柳丹，吳子文，周沃華，郝建冬，羅一帆，

(1.廣東省醫療器械質量監督檢驗所，廣東 廣州 510663; 2.華南師范大學 化學與環境學院，廣東 廣州 510006)

在腫瘤治療領域里，為了確定對患者利用超聲治療診斷進行輻照的時間長短，需要對聲動力腫瘤治療系統的超聲換能器即超聲探頭的超聲功率進行測量，然后通過計算可得出超聲有效聲強。測量方法主要采用輻射力天平法[1-2]：超聲治療設備的超聲換能器工作時發出超聲波，超聲能量通過脫氣水進行傳遞，將特定的目標靶與超聲探頭的超聲聲軸對齊，目標靶上所受到的軸向聲輻射力與目標靶的質量成比例關系，為1 g=14.65 W。在對病人進行診斷治療時，病人躺在浴缸上，通過水的耦合，人體接受固定在浴缸上的超聲探頭的超聲輻射，超聲輻射到人體而激活人體內的藥物[3-4]，從而對腫瘤進行治療。對腫瘤起主要作用的是藥物，但是超聲功率的大小一方面關系到藥物的激活情況，另一方面超聲輻射本身對人體有危害，因此評估超聲功率大小很重要。

然而目前在市面上能買到的超聲功率測量儀是目標靶位于超聲探頭下方，目標靶設置在測量儀器上，這種測量儀比較適合可調整超聲探頭方位的測量，而對于需要測量固定的超聲探頭超聲功率而言是這種超聲功率測量儀不能達到要求的。

1 技術設計

超聲功率測量儀結構的設計應包括用于稱量的電子天平、測量待測物的目標靶、避免影響測量的所需要的吸聲罩、用于測量超聲作用下待測物重量的配重塊、還有相關的杠桿支架和杠桿支撐桿。超聲功率測量儀結構示意見圖1。

圖1 超聲功率測量儀結構示意圖

從圖1可知，超聲功率測量儀的支架上設有可調節的工作平臺，工作平臺上設有電子天平，電子天平上設有配重塊，配重塊通過杠桿機構連接目標靶，目標靶的正下方為超聲探頭放置區。

超聲探頭設有用于罩住超聲探頭的吸聲罩，吸聲罩由可吸收超聲干擾的材料而圍成的圓筒狀結構。

杠桿機構包括杠桿支架和與杠桿支架連接的連桿，杠桿支架一端與配重塊連接，連桿一端與目標靶連接，杠桿支架由與工作平臺連接的杠桿支撐桿支撐固定。

目標靶是圓錐半角為45°且底面面積為5 000mm2的圓錐體，其錐角朝向超聲探頭固定的方向。

2 工作原理

測量時，初始狀態即超聲探頭未發出超聲波時，電子天平稱量得到的讀數記為W1；當超聲探頭工作發出超聲波時，對目標靶倒置圓錐體形成一個向上的輻射力(超聲波反射到吸聲材料上，被吸聲材料所被吸收)，倒置圓錐靶受力改變，電子天平稱量得到另一個讀數記為W2。這樣，(W1-W2)的數值就表征了超聲輻射力，按照1 g=14.65 W，的關系計算，就可以得到該超聲探頭的超聲功率值。此外，測試時，無氣純凈水作為介質，水的深度至少應蓋過目標靶[1,5-6]。

3 超聲功率測量儀的研制

根據超聲功率測量儀的工作原理及設計的結構圖進行研制。研制時在超聲探頭放置區上設有用于罩住超聲探頭的吸聲罩，吸聲罩由可吸收超聲干擾的材料制成，并圍成圓筒狀，用于排除其他超聲探頭的干擾。吸聲罩設置的原因是：在實際使用過程中，有可能存在多個超聲探頭同時工作而需要針對部分超聲探頭測量，這樣的情況下，超聲探頭之間相互存在影響，且干擾的情況很復雜，比較難對超聲探頭的功率進行測量，而吸聲罩能把需要測量的超聲探頭“罩”起來，可以有效避免其他超聲探頭的干擾，提高測量的精度。

可調節的工作平臺一方面能支撐測量儀器，使之能夠保持稱量所需的水平狀態，另一方面還能夠通過調節上下或者左右移動。

特別要說明的是，杠桿支架和與杠桿支架連接的連桿的工作原理具體是：目標靶與配重塊兩者在杠桿機構連接下相互作用，受力平衡，配重塊在豎直方向上受的是拉力，它自身的重力與所受的拉力的合力會在電子天平上顯示出來，當目標靶受超聲波輻射時會受力改變，配重塊受的拉力也會改變從而使其合力改變，然后反映在電子天平的讀數上。通過該杠桿平衡機構可以測量出超聲波功率。

4 實測測試結果與分析

為了檢驗所設計及研制的超聲功率測量儀的穩定性和準確性，我們取了10個超聲探頭進行測量，得到的結果見表1。

表1 超聲功率測量儀測量超聲探頭的功率密度實驗數據

從表1看，超聲功率測量儀測得的不同功率的超聲探頭的功率密度的實測值與其標示值的差值較小，說明設計的超聲功率測量儀的準確度較好。另外在不同時間測量同一個超聲探頭，發現其數值沒有差異，表明超聲功率測量儀測量超聲探頭具有較好的穩定性。

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