基于虛擬儀器技術的聚焦超聲換能器電聲轉換效率自動測試系統

劉 陽 譚堅文,2 曾德平,* 鐘志明 陳志聰

1(重慶醫科大學生物醫學工程學院，省部共建國家重點實驗室培育基地-重慶市超聲醫學工程重點實驗室，重慶市生物醫學工程學重點實驗室，重慶市微無創醫學協同創新中心，重慶 400016)2(重慶通信學院，重慶 400035)3(超聲醫療國家工程研究中心，重慶 401121)

基于虛擬儀器技術的聚焦超聲換能器電聲轉換效率自動測試系統

劉 陽1譚堅文1,2曾德平1,3*鐘志明1陳志聰3

1(重慶醫科大學生物醫學工程學院，省部共建國家重點實驗室培育基地-重慶市超聲醫學工程重點實驗室，重慶市生物醫學工程學重點實驗室，重慶市微無創醫學協同創新中心，重慶 400016)2(重慶通信學院，重慶 400035)3(超聲醫療國家工程研究中心，重慶 401121)

聚焦超聲換能器是超聲治療設備的核心部件，電聲轉換效率是衡量其性能重要指標之一，實際工作中常以電聲轉換特性來確定治療系統的工作頻率和驅動參數，這對其測試系統的準確性、效率和便捷性提出很高的要求。為此，構建一套自動測試系統，采用基于定向耦合器的電功率計來測量換能器的輸入電功率；運用輻射力天平測量換能器輸出聲功率；基于虛擬儀器技術開發上位機自動測試軟件，實時采集和處理測量數據。基于所開發的自動測試系統，測試換能器在不同頻率和驅動功率下的電聲轉換效率，采用變異系數對系統的穩定性進行分析，并與人工測試方法作對照。結果表明，測試系統具有較好的準確性，且單次測試時間可縮短5倍以上，在驅動功率分別為10、20和30 W情況下，自動測試系統(變異系數分別為4.06%、4.31%、4.65%)比人工測試(變異系數分別為4.14%、4.69%、5.83%)更穩定，滿足測試系統應用需求。

聚焦超聲換能器；自動測試；電聲轉換效率；虛擬儀器技術

引言

高強度聚焦超聲(HIFU)治療是近年來在國內外備受關注的非侵入性治療新技術[1]，目前在子宮肌瘤、肝臟腫瘤和腎臟腫瘤等適應癥中得到了越來越廣泛的應用[2-4]，并日益突顯出其靶向性、無創性和無電離輻射等優勢。除腫瘤組織消融外，基于小功率聚焦超聲的治療設備也逐漸應用于宮頸炎、鼻炎和軟組織損傷等病變的治療中[5-7]，展現出了較好的應用前景。聚焦超聲換能器是超聲治療系統的核心部件，它的特性直接決定治療設備參數、輸出聲功率和治療時間，進而直接影響到治療效果和安全性[8- 9]。電聲轉換效率是反映換能器輸出聲功率、換能器工作能力的基本電聲參數，是超聲治療系統研究臨床應用需關注的重要指標。

根據超聲換能器特性測量國際標準[10- 11]，電聲轉換效率通過計算換能器輸出聲功率與輸入電功率的百分比來確定。輸入電功率可采用電功率計法或直接獲取換能器兩端電壓電流的阻抗法進行測量，輸出聲功率則通常采用輻射力天平法測量。國內外研究人員對超聲換能器電聲轉換效率的測量進行了多方面的研究工作。文獻[12- 14]分別采用函數發生器產生驅動信號，經過功率放大器放大后驅動超聲換能器，通過示波器測量換能器電壓和電流信號的方式得到輸入電功率。這種測量方式類似于阻抗法，其測量精度高，但測量系統構成復雜，且易受驅動功率信號和電磁噪聲的干擾。文獻[15- 16]利用電功率計法有效地解決了上述問題，同時運用輻射力天平測量了換能器工作在諧振點時的輸出聲功率，從而得到其電聲轉換效率。文獻[17]在同樣的測試方法下，采用掃頻方式對換能器工作在一定頻帶范圍內的電聲效率進行了測試，并探究了在不同驅動功率下換能器于固定頻率處電聲效率的變化情況。

從聲束聚焦和結構強度角度出發，聚焦超聲換能器實際工作頻率和電聲轉換效率將受加工工藝、封裝結構的影響[18- 20]，因此在HIFU設備研制時，需對聚焦超聲換能器電聲轉換特性進行逐個測量，以換能器實際的電聲轉換特性來確定HIFU治療系統的工作頻率和驅動參數。另外，在檢測標準[10- 11]框架下，具體測量是基于手工測量，要得到換能器電聲轉換效率曲線，測試工作量非常大。鑒于此，筆者基于虛擬儀器技術，構建了一套聚焦超聲換能器電聲轉換效率測量系統，采用基于定向耦合器的電功率計來測量換能器的輸入電功率、輻射力天平測量換能器的輸出聲功率。測量系統采用圖形化開發環境LabVIEW，基于虛擬儀器技術開發上位機程序，并通過串口等通信協議，將信號發生器、電功率計和聲功率計等測量儀器聯系起來，實時采集和處理測量數據，并完成數據的分析和計算，獲得換能器的電聲轉換效率，實現了聚焦超聲換能器電聲轉換效率的快速自動測試，提高了測試的效率和便捷性。

1 原理

1.1 基于聲輻射力天平的聲功率測試原理

根據國際電工委員會(IEC)發布的超聲換能器測量相關標準IEC 62555—2013[11]，聚焦超聲換能器的輸出聲功率通過測量其聲輻射力來獲得，聲輻射力測量的基本方法為采用帶吸收靶的輻射力天平法，本研究按該標準采用輻射力天平來測量換能器的輸出聲功率。輻射力天平根據Langevin輻射壓力原理[8]，通過吸收靶將超聲聲壓轉換為機械壓力，由天平測得靶上所受力F，得到聲傳播方向的輻射力。它要求吸收聲靶的面積遠大于換能器輸出聲束面積，并確保聲束在水中垂直入射至吸收靶上，且聲源與靶的距離d應為聲焦距Fpress的0.7倍。換能器的輸出聲功率由下式[21]計算得到，有

(1)

式中：F為聲輻射力；c為水中的聲速；β為換能器的聚焦(半)角，β=arcsin(a/Fpress)，a為換能器的有效半徑；α為水中的吸收系數；d為靶距。

1.2 基于定向耦合器的電功率測量原理

根據IEC發布的超聲換能器特性，測量相關國際標準IEC 1088—2001[10]，換能器的輸入電功率可采用阻抗法或電功率計法進行測量。阻抗法通過測量正弦波驅動下換能器兩端電壓信號Vt和電流信號It，由VtItcosφ得到驅動電功率Pe。電功率計法則采用定向耦合器，將電功率傳輸給換能器，耦合器對前向電功率Pfrd和反向電功率Pref進行取樣，功率計通過定向耦合器的取樣輸出，計算出換能器獲得的實際驅動電功率Pe=Pfrd-Pref。由于阻抗法要求準確測量高頻驅動信號的幅值和相位，對測量系統的采樣頻率和精度要求較高，導致測量系統構成復雜，且抗干擾性較低。本研究采用電功率計法，測量換能器的輸入電功率。

電功率計法中的定向耦合器是一種具有方向性的功率耦合(分配)元件，由直通線和耦合線組合成為四端口器件，直通線和耦合線之間通過一定的耦合機制，將直通線前向傳輸和反向傳輸功率中的一部分耦合至耦合線中[22]。通過對耦合線中的耦合電壓進行檢波，即可得到功率傳輸中的前向傳輸和反向傳輸(反射)功率。考慮到超聲換能器工作頻率在20 MHz以下，本研究采用基于Tandem Match電路的定向耦合器進行換能器驅動功率的耦合與測量，其等效電路如圖1所示。其中，T1和T2為耦合變壓器，IN、OUT分別表示驅動功率的輸入端和負載端，FRD和REF分別表示前向電功率測量端和反向電功率測量端。

圖1 定向耦合器等效電路Fig.1 The equivalent circuit of the directional coupler

利用由輻射力天平測得的換能器輸出聲功率Pa，以及由電功率計測得的前向電功率Pfrd和反向電功率Pref，可通過下式計算得到換能器的電聲轉換效率ηea，即

(2)

2 方法

2.1 自動測試系統描述

本研究提出基于虛擬儀器技術進行電聲轉換效率自動測試的方法，將電聲轉換效率測試相關儀器設備通過計算機協議進行通信與控制，采用NI公司的LabVIEW[23- 24]構建一套超聲換能器電聲轉換效率自動測試系統，主要包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件部分指的是與電聲特性測量相關的儀器設備，軟件部分則為基于LabVIEW開發的上位機測試程序。

系統硬件組成如圖2所示，它由函數發生器、功率放大器、定向耦合器、電功率計、計算機和輻射力天平構成，電功率驅動與測量設備均要求在20 kHz～20 MHz的寬頻帶范圍內工作，以保證換能器電聲轉換效率的測試帶寬。電功率計的采樣頻率可達1 000 kS/s，分辨率為10 bit，可實時監測換能器工作過程中前向和反向電驅動功率的微弱瞬態波動。具體的儀器設備型號在表1中列出。

圖2 換能器電聲轉換效率自動測試系統組成Fig.2 Schematic of the automatic test system for electro- acoustic conversion efficiency of transducer

在進行測試時，通過計算機上位機軟件設置測量頻帶、驅動電功率大小和掃頻步進等相關參數，并將其發送至函數發生器，產生激勵信號，再經功率放大器放大，產生電功率驅動信號，并通過定向耦合器施加在待測超聲換能器兩端，輸出聲功率。

表1 自動測試系統相關儀器設備Tab.1 The equipment of automatic test system

電功率計和聲功率計分別監測換能器的驅動電功率和輸出聲功率，并將相應的測量結果通過通信協議上傳至計算機，最后由上位機程序對測試數據進行處理與分析。圖3為所構建的換能器電聲轉換效率自動測試系統實物。

圖3 換能器電聲轉換效率自動測試系統實物Fig.3 The automatic test system for electro- acoustic conversion efficiency of transducer

上位機程序由基于虛擬儀器技術的圖形化語言LabVIEW開發，圖4為開發的上位機測試軟件系統框圖。測試軟件主要包含測量信息錄入、參數設置、特性測試、數據采集與處理和系統維護五部分功能。圖5為自動測試軟件的人機交互界面，測試時可通過操控界面進行參數設置與測試控制，處理與分析所采集的數據，并實時顯示與保存測試曲線。通過與生產流水線的集成，可實現超聲換能器電聲轉換效率的全自動流水線測試，滿足HIFU治療設備大規模批量化生產的需求。

圖4 測控系統軟件結構Fig.4 The software structure of measurement and control system

圖5 系統圖形控制與顯示界面Fig.5 The interface of system graphical control and display

2.2 數據采集、處理和測試

2.2.1 數據采集

在對超聲換能器電聲轉換效率進行測試時，其輸出聲功率的測量經常會遇到輻射力天平讀數不穩定的問題[21]。為此，該系統采用并行方式，其中聲功率計串口程序采用判斷結構，自動判斷是否接收穩定數據，從而減少換能器開始發射到完成天平讀數的單次測量時間，進而降低吸收靶表面氣泡的附著幾率和脫氣水的溫升速率，故可減小由這兩者所帶來的測量誤差。電功率計串口程序則采用循環結構，實時接收有效數據，同時可通過修改各串口讀取字節數來獲取不同精度的數據，最高精度可達萬分位。

2.2.2 數據處理

在電功率計與計算機進行測量通信時，同時獲取換能器的前向與反向電功率，需采用上位機對其進行拆分處理，先將數據串轉化為字符串，運用拆分函數將其拆分為兩個字符串，然后將其轉換為雙精度的二維數組進行保存。采用索引函數一一提取出進行數值計算，最后將所得數據進行動態顯示和實時保存。

LabVIEW提供了多種數據圖形顯示控件，其中使用最多的是波形圖。該控件提供現成框架，不需要額外代碼，僅通過修改部分屬性即可實現多模式顯示，但它也存在一定局限性，即只適用于橫坐標為時間的波形顯示。為此，本研究采用XY圖控件，通過捆綁函數，靈活地改變波形顯示的X、Y變量，同時選擇條件結構，利用布爾變量動態控制波形顯示，調用XY圖控件節點實現波形的保存。圖6為系統數據采集與處理流程。

圖6 系統數據采集與處理流程 Fig.6 Flow chart of system data acquisition and processing

2.2.3 測試模式

利用上述系統程序，可以方便、快捷地獲取超聲換能器在固定頻率和驅動功率下的電聲轉換效率。通過設置上位機中信號源參數，便可產生不同的測試模式：一是設置系統界面中信號源起始頻率、掃描步進和測量數據量，可獲得不同頻率下的超聲換能器電聲轉換效率；二是設置系統界面中信號源幅值、起始頻率、掃描步進和測量數據量，可獲得不同驅動功率下的超聲換能器電聲轉換效率。

2.3 測試系統性能驗證

3 結果

3.1 不同頻率下聚焦超聲換能器電聲轉換效率

圖7為聚焦超聲換能器(焦距為15 mm，開口半徑為8 mm)電聲轉換效率的人工與自動測試結果對比波形，從中可以看出兩種測試結果吻合良好。但在測量耗時方面，人工測量大約需時110 min，數據處理需10 min，而自動測試只需17 min。因此，該測試系統可以很好地解決換能器電聲特性測試工作量大的問題。

圖7 自動測量與人工測量對比Fig.7 Contrast between automatic measurement and manual measurement

3.2 不同功率下聚焦超聲換能器電聲轉換效率

對換能器在不同驅動功率下的電聲轉換效率分別進行10次測量，并取平均值，測量結果如圖8所示。由該結果可見，在不同驅動電功率下，換能器的電聲轉換效率曲線基本一致，這表明在一定驅動功率范圍內，換能器的電聲轉換效率變化較小。如選擇電聲轉換效率下降至最大值的90%作為換能器有效工作頻帶的評判標準，則該換能器的有效工作頻帶超過1 MHz，為9.3～10.4 MHz，且在該頻帶內其電聲轉換效率波動較小。

圖8 不同驅動功率換能器電聲轉換效率Fig.8 The electro- acoustic conversion efficiency and reflectance of transducer under different driving electric power

3.3 變異系數

以測量數據的變異系數來衡量人工測試和自動測試兩種測量方法的穩定性，實驗結果如表2所示。在激勵信號10 W的情況下，人工測試和自動測試的變異系數均最小，分別為4.14%和4.06%，且測量結果接近。整體上看，自動測試的變異系數均比人工測試的變異系數小，且隨著驅動功率增加，兩種測試方法的變異系數均增大，但人工測試結果的波動更大。

表2 不同驅動功率下手工測試與自動測試的變異系數

Tab.2 Coefficient of variation between manual test and automatic test under different driving power

10W(n=10)20W(n=10)30W(n=10)手工測試4.14%4.69%5.83%自動測試4.06%4.31%4.65%

4 討論

本課題以傳統人工測試方法為對照，研究了聚焦超聲換能器電聲轉換效率自動測試系統的準確性和穩定性。

在自動測試系統準確性方面，本研究依據國際標準[10-11]搭建自動測量平臺，對換能器電聲轉換效率進行測試。圖7中的所測結果與人工測試結果吻合良好，驗證了本系統的準確性。同時，圖7中兩種測試方法的所測數據均存在一定程度的波動，這可能與輻射力天平讀數不穩定有關。壽文德等認為，在小驅動功率和大驅動功率情形下，輻射力天平讀數存在不穩定現象，會對換能器電聲轉換效率測試結果產生影響[14, 21]。影響輻射力天平讀數不穩定的因素有驅動功率、換能器工作時長和水質[21]。傳統的人工測試方法可以控制驅動功率和水質，減小輻射力天平讀數不穩定的影響，但單次測量時間受人主觀意識影響較大。而本自動測量系統，由于提高了數據采集和處理能力，測量時間大大縮短，人工測試大約需時110 min，而自動測試只需17 min。單次測量時間的減小，有利于提高輻射力天平讀數的穩定性，減小測量誤差[11]。

利用本測試系統，獲取不同驅動功率情況下換能器電聲轉換效率，由圖8可知其變化情況基本一致，這說明在30 W以內的驅動功率下，本測試系統的穩定性較好。本研究采用變異系數來衡量測量方法的穩定性，在驅動功率為10、20、30 W情況下，自動測量的變異系數好于人工測量。分析原因，主要是由于單次測試時間短，吸收靶表面氣泡的附著幾率較低，脫氣水的溫升也較小。因此，縮短測量時間是提高測量穩定性的有效途徑。值得注意的是，在低驅動功率(10 W)情況下兩者的變異系數相近，而在大驅動功率情況下則相差較大，這進一步說明自動測試系統提高了測量的穩定性。

5 結論

本研究構建了基于虛擬儀器技術的聚焦超聲換能器電聲轉換效率測量系統。運用該系統，在不同頻率和驅動功率下，對超聲換能器的電聲轉換效率實現了準確有效的測量。相比于人工測試，自動測試方便、快捷，單次測試時間縮短了5倍以上，且穩定性更好，在驅動功率由10 W增至30 W情況下，其變異系數僅增加了15%，遠低于人工測試變異系數41%的增量。故該方法的建立，方便換能器電聲轉換效率的快速準確測量，對換能器最佳工作頻率的選取具有重要指導意義，對換能器實際的生產檢測具有較好的應用與推廣價值。

本研究目前僅對中小功率的換能器電聲轉換效率自動測試系統的有效性進行了驗證，而系統設計的最終目的在于自動測量多種聚焦超聲換能器電聲轉換特性，減少測試時間與工作量，同時為HIFU治療設備研發提供測量平臺。因此，下一步將研究本測量系統對大功率超聲換能器測量的適應性。

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Automatic Test System for Electro- Acoustic Conversion Efficiency of Focused Ultrasonic Transducer Based on Virtual Instrumentation Technology

Liu Yang1Tan Jianwen1,2Zeng Deping1,3*Zhong Zhiming1Chen Zhicong3

1(Key Laboratory of Ultrasound Engineering in Medicine Co- Founded by Chongqing and the Ministry of Science and Technology, College of Biomedical Engineering, Chongqing Key Laboratory of Biomedical Engineering, Chongqing Medical University, Chongqing Collaborative Innovation Center for Minimally- invasive and Noninvasive Medicine, Chongqing 400016, China)2(Chongqing Communication Institute, Chongqing 400035, China)3(National Engineering Research Center of Ultrasound Medicine, Chongqing 401121, China)

Focused ultrasound transducer is the core of ultrasound therapy device, and the electro- acoustic conversion efficiency is one of the most important indexes to evaluate the performance of the transducer. In practical working conditions, the electro- acoustic conversion characteristic is often used to determine the operating frequency and driving parameters of therapy system. Therefore, the high accuracy, efficiency and convenience of the electro- acoustic conversion characteristics test system are needed. To solve this problem, an automatic test system was constructed in this work. The electrical power meter based on directional couplers was used to measure the input electrical power of the transducer. The acoustic output power of the transducer was measured by radiation force balance. The automatic test software on master computer was developed based on virtual instrumentation technology. It can collect and process the measured data in real time. Based on the developed automatic test system, the electro- acoustic conversion efficiency of a transducer was tested at different frequencies and driving power. The stability of the system was analyzed by the coefficient of variation and compared with the manual test. The results showed that the test system had good accuracy, the single test time was shortened more than 5 times. Under the driving power of 10 W, 20 W and 30 W, the automatic test system (the variable coefficient were 4.06%, 4.31%, 4.65%) was more stable than that manual test (the variable coefficient were 4.14%, 4.69%, 5.83%, respectively), which met the application requirements of the test system.

focused ultrasonic transducer; automatic testing; electro- acoustic conversion efficiency; virtual instrument technology

10.3969/j.issn.0258- 8021. 2017. 03.009

2016-07-26， 錄用日期:2017-01-18

國家自然科學基金(81501615,11574039)； 國家重大科學儀器設備研制專項(81127901)

R318

A

0258- 8021(2017) 03- 0322- 07

*通信作者(Corresponding author)，E- mail: zengdp@haifu.com.cn