交叉結構超聲仿組織模體聲速測量方法*

吳國光　李奇　陳上文

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交叉結構超聲仿組織模體聲速測量方法*

吳國光1,2李奇2陳上文2

（1.廣東省現代幾何與力學計量技術重點實驗室2.廣東省計量科學研究院）

針對超聲仿組織模體內部材料的聲速測量問題，提出一種十字交叉結構的雙探頭發射接收聲速測量方法。首先將超聲脈沖發射接收儀的高壓脈沖信號一分為二，同時驅動2個交叉分布的超聲換能器，并在接收端通過2個接收換能器接收透射時間差；然后測得模體的長短邊距離，計算得到材料的聲速；最后通過搭建測量系統與驗證實驗。結果表明，該方法可提高聲速測量的準確性與實用性。

交叉結構；仿組織模體；聲速

0　引言

超聲仿組織模體是檢定醫用超聲診斷儀的重要設備，該模體腔內填充TM材料與尼龍靶線，可檢測超聲診斷儀的盲區、探測深度、分辨力和幾何參數 等[1]。該模體對確保超聲診斷儀的量值準確起到重要作用，但由于模體封閉在密閉外殼里，無法直接對內部材料的幾何參數、聲速等進行測量，模體的量值溯源問題始終未能很好解決。

目前，針對仿組織模體聲速測量研究主要有：北京化工大學田旭等，采用脈沖取代法測量模體的聲速，該方法采用有無樣品的時間差計算聲速，但并未考慮外殼封裝帶來的聲速測量問題，因此不適用于封裝模體的聲速測量[2]；上海交通大學李國偉等，采用脈沖透射法測量模體的聲速，主要針對模體材料測量，也未考慮封裝問題[3]；以上研究與國標GB/T 15261?2008超聲仿組織模體材料聲學特性的測量方法一致[4]，主要針對無外殼封裝的材料特性測量。但計量部門檢定使用的模體都采用亞克力外殼封裝，故國家質檢總局于2016年發布實施了JJF 1556?2016超聲仿組織模體校準規范[5]。其檢測方法是脈沖透射法，采用示波器測量超聲透射模體長邊與短邊的時間差，再結合模體長度信息換算出仿組織模體的聲速。該方法采用一對超聲換能器，在模體長邊與短邊分別進行2次時間測量，再相減得到時間差。在示波器中測量時間差難以選擇測量點，同時采用2次測量較難提高測量精度。本文針對這些不足，提出一種雙探頭交叉分布、同時發射接收的方法。將換能器安裝在十字交叉的滑動導軌上，只需一次測量即可獲得時間差參數，減少時間測量誤差與人為因素影響。同時在檢測下一個模體時，也無需再重復調整探頭位置，加快檢測效率。

1　聲速測量方法原理框圖

交叉結構超聲仿組織模體聲速測量方法的原理框圖如圖1所示。

圖1　交叉結構仿組織模體聲速測量方法原理框圖

該方法與傳統測量方法的主要區別是增加了BNC三通接頭、超聲換能器3（發射）、超聲換能器4（接收）和放大整形電路。超聲脈沖發射接收儀的脈沖高壓信號，通過BNC三通接頭將驅動信號一分為二；超聲換能器1和超聲換能器3產生的超聲信號通過超聲仿組織模體后，分別由超聲換能器2和超聲換能器4接收，并轉變為電信號；經過放大整形電路后，進入到示波器。由同步觸發信號和放大整形后的脈沖信號測量得到時間信息；再通過游標卡尺測量得到模體的幾何參數；計算得到超聲仿組織模體內材料的聲速。采用該方法測量聲速，可直接測量時間差信號，同時將信號整形為脈沖信號，避免時間測量點選取受人為測量的影響。

2　聲速測量方法計算過程

圖1中，2對超聲換能器以共軸方式布置在滑動導軌上，通過耦合劑分別貼合在超聲仿組織模體外殼的長邊與短邊平面。2路超聲信號經過模體后，由超聲換能器2與超聲換能器4接收轉化為電信號，該信號經過放大整形電路后，整形為TTL電平的脈沖信號，與示波器連接。超聲信號經過放大整形后的波形示意圖如圖2所示。

圖2　接收信號放大整形后示意圖

示波器采用外部觸發源方式，將超聲脈沖發射接收儀的同步觸發信號作為外部觸發源。通過示波器的測量功能，可測得2個脈沖的時間差（2?1）。與采用一對換能器傳統方法不同的是，該方法的時間差只需要1次測量，并且是相對測量；而傳統方法為了得到時間差，需要2次測量，第一次在模體的短邊測量得到1?0，第二次則在長邊測量，得到2?1，這2次測量值相減得到，同時相減也會引入測量誤差。

為獲得聲速，還需測量仿組織模體的幾何尺寸。被測對象超聲仿組織模體的結構圖（俯視）如圖3所示。

圖3　超聲仿組織模體結構圖（俯視）

通過游標卡尺測量得到上述參數后，計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部材料的聲速；1，2分別為模體的短邊與長邊長度；1，2分別為模體長邊與短邊的外殼壁厚；為2個接收信號脈沖的時間差。

當長邊與短邊外殼壁厚相等時，即1=2，式(1)可進一步簡化為

3　聲速測量系統搭建

采用型號為CTS-8077PR超聲脈沖發射接收儀搭建的交叉結構超聲仿組織模體聲速測量系統如圖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，可通過滑動電阻器調節放大倍數；整形電路采用高速比較器TLV 3501，其比較門限電壓可調，可將放大后的超聲信號整形為脈沖信號。

圖4　交叉結構超聲仿組織模體聲速測量系統

4　實驗結果與分析

為驗證本文方法及系統的有效性，對一臺型號為KS 107BD（L)的超聲仿組織模體進行試驗。模體在環境中長時間存放，可認為模體溫度與環境溫度一致，實驗環境溫度24.2℃。實驗在短時間內完成，故不考慮溫度波動影響。分別采用傳統方法單路換能器交替測量與本文提出的交叉結構方法同時測量進行對比。

傳統方法與本文方法接收信號波形分別如圖5、圖6所示。通過游標卡尺測量得到超聲仿組織模體的幾何參數：2=1= 8.35 mm；1= 66.62 mm；2= 201.14 mm。在示波器中測量得到時間信息，并根據式(1)計算得到該模體內部TM材料的聲速，對比測量數據如表1所示。

圖6　交叉結構超聲仿組織模體聲速測量方法接收信號波形圖

表1　聲速測量數據對比

從表1與式(1)可以看出，時間測量準確性對模體內部材料聲速測量非常重要。采用傳統方法需進行2次測量得到時間差信號，若選取的測量點不當，則測量結果可能超出模體本身的特性參數，導致誤判（在溫度為（23±3）℃時，該模體的TM材料標稱聲速為1540±10 m/s）。而本文方法則只需1次測量即可得到時間差，并且由于將波形整形為脈沖信號，時間測量點易于選取，測量結果符合模體自身的特性參數。

5　結論

本文闡述了一種超聲仿組織模體內部材料聲速測量方法，在不增加較多硬件條件下，使時間測量點易于選取，且時間差可直接測量，無需2次測量相減。實驗結果表明：時間差測量準確性對模體材料聲速測量非常重要；本文提出的方法與傳統方法相比，準確性與實用性更高。由于本文提出方法將接收信號整形為脈沖信號，可進一步與單片機外部中斷連接，無需示波器人為測量時間差，將極大降低硬件成本，實現自動測量，這將在下一步研究工作中實現。

[1] 牛鳳岐.KS系列仿組織超聲體模簡介[J].現代科學儀器, 1992(3):34-35.

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

[3] 李國偉,陳亞珠.超聲體模及性能測試[J].聲學技術,2000, 19(1): 26-29,33.

[4] 國家標準化管理委員會.GB/T 15261?2008 超聲仿組織材料聲學特性的測量方法[S].北京:中國標準出版社,2008.

[5] 國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1556?2016超聲仿組織模體校準規范[S].北京:中國質檢出版社,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

吳國光，男，1983年生，博士，高級工程師，主要研究方向：醫學計量與智能化檢測。E-mail: imguangzi@163.com

廣東省質量技術監督局科技計劃項目（2018ZJ01）