一種在用超聲診斷設備探頭性能檢測系統的研制

賈龍洋，王龍辰，胡兵

上海交通大學附屬第六人民醫院 超聲醫學科，上海 200233

引言

醫用超聲成像在疾病診斷中起著重要的作用，中國超聲檢查受益者眾多，隨著老年化社會的到來和二胎政策的試行，對超聲檢查的需求逐年遞增。根據2018 年全國醫療設備行業報告，中國2018 年超聲設備產品市場保有量達到23000 余臺，且這一數據仍在不斷增長。

超聲探頭在超聲診斷設備中占據重要地位，被稱為超聲診斷儀的“眼睛”，其作用是將高頻電信號轉換為超聲信號，再將人體組織反射回來的超聲信號轉換為電信號，其性能直接影響超聲診斷結果的準確性[1-2]。超聲探頭精密度高，由于與受檢者接觸最為頻繁，使用過程中維護、保養不當，易造成探頭性能下降甚至損壞[3]。然而，探頭故障初期，往往從圖像上不易被察覺，使用者在不知情的情況下繼續使用會導致誤診、漏診的概率增加。另外這些故障如能及早發現，可進行修復，避免更換新探頭。因此為了保證診斷的可靠性，延長探頭使用壽命及降低維修成本，對超聲探頭的日常性能檢測至關重要[4-10]。

目前國內相關機構每年會對在用診斷超聲設備年檢，但都是基于超聲圖像或電性能進行的檢測，如圖像分辨力、探測深度、幾何誤差、盲區、漏電流等，未對探頭聲學性能進行測定[11-16]。國際上，FIRSTCALL 系統（Sonora Medical System，美國）可以對部分進口超聲廠家的探頭檢測[17]，但對于國產品牌的超聲產品沒有一套可行的檢測系統，本研究開發了一種操作簡單自動化的醫用超聲探頭聲學性能檢測系統，可在圖像暗道產生前檢測出某一探頭陣元靈敏度信號的衰減，實現對國產品牌超聲在內的多個超聲型號探頭的故障進行預防性檢測。

1 檢測參數

系統主要對超聲探頭中心頻率、相對帶寬、相對脈沖回波靈敏度進行檢測，上述參數對圖像質量、圖像暗道、彩色血流或多普勒靈敏度有直接影響。根據ISO10375:1997（E）[18]，YY/T 1142-2013[19]和JB/T 12466-2015[20]等相關指南檢測參數定義如下。

1.1 中心頻率和相對帶寬

對回波信號進行頻譜分析，得到的回波頻率響應是中心頻率和相對帶寬的基礎。中心頻率f0為換能器頻響曲線中的幅值最高點對應的頻率；相對帶寬BW為高、低端截止頻率的差值與中心頻率之比的百分數，分別由公式(1)、(2)確定。

其中，f1和f2分別是相較于測出的回波最大幅度降低-6 dB 的回波幅度處的對應的高、低端截止頻率。

1.2 相對脈沖回波電壓靈敏度

相對脈沖回波電壓靈敏度是度量探頭在脈沖回波模式下相應介質中電聲轉換效率的參數。用示波器測出探頭上輸入的電壓峰－峰值Vin和反射波放大前的電壓峰－峰值Vout，根據式(3)可以計算出相對脈沖回波靈敏度SV。

2 測試系統

2.1 整體測試系統

本檢測系統采用脈沖回波法，系統示意圖如圖1 所示，測試裝置包括：超聲脈沖收發器、帶寬不小于100 MHz 示波器、超聲探頭轉接設備、計算機、測試水槽、反射靶、夾具。

圖1 在用超聲探頭性能檢測系統示意圖

本測試系統使用超聲脈沖收發器產生窄脈沖電壓信號激勵被測探頭其中一個陣元發射超聲波至水槽中，超聲波垂直入射到反射靶表面，其第一反射波由被測探頭同一陣元接收，其回波電信號經脈沖收發器放大，使用示波器采集從超聲脈沖收發器返回的波形數據，通過計算機抓取示波器數據并分析。

本測試系統支持全陣元測試，探頭轉接裝置信號切換網絡使用繼電器切換網絡實現1 到128 通道的分時復用，信號切換轉接網絡實現接口轉接功能，用于適配所有探頭接口，并且針對128 陣元以上的探頭實現多路復用功能。

本測試系統可支持不同型號的超聲設備探頭。只需根據探頭接頭類型和針位圖制作轉接板，根據探頭形狀選擇反射靶，即可匹配整套測試系統測試。轉接板卡和反射靶也可多探頭共用。

夾具是操縱探頭運動和裝夾固定的結構，為一體式結構，分為探頭夾具和反射靶夾具，探頭夾具可以三維移動，俯仰方向角度和掃描方向角度變化，發射靶夾具可以豎直方向移動，方便大幅度調節靶距。

本測試系統操作簡單，軟件系統一鍵測試。

2.2 測試軟件

測試軟件對采樣數據FFT 變換后進行分析計算，確定探頭的中心頻率、高低端截止頻率、相對帶寬。測試軟件的界面如圖2 所示。測試界面主要分為四個區域。左上角區域為回波時域信號。右上角區域為FFT 變換分析的頻域信號。左下角區域包括通道配置、觸發配置、其他配置、波形信號。右下角區域包括參數配置、測試配置、測試結果。

圖2 在用診斷超聲探頭質控系統測試界面

第一次使用該系統需在其他配置中配置示波器。在通道配置和觸發配置中已預設了示波器參數。測試超聲探頭之前，在參數配置中輸入被測探頭信息、脈沖收發器參數設置等基本測試信息。在測試設置中選擇被測探頭類型，對應不同廠家的主機系統，不同類型的探頭對應的探頭與主機的通道映射關系不同。

探頭測試時要先進行對準微調，在測試模式中選擇“單陣元測試”，對探頭首、末及中心陣元進行測試，若三個陣元對應采集時間（即測試深度）基本一致，且靈敏度無明顯差異，則對準完成。對準完成后即可進行全陣元測試，對探頭全部陣元依次自動檢測，測試過程中會實時顯示各陣元的回波時域、頻域圖像。測試結束后可查看各陣元的中心頻率、相對帶寬、相對脈沖回波電壓靈敏度數據，并可創建報表。

2.3 測試結果

測試報告如圖3 所示，為使用1 年的3.5 MHz 凸陣超聲探頭的測試結果，報告表頭會顯示參數配置中基本測試信息，各陣元的相對脈沖回波電壓靈敏度、中心頻率、相對帶寬以條形圖形式列出，分別對應測試報告圖3 中的上、中、下三個條形圖圖表，每個測試參數圖表下方均列出平均值、最大值、最小值、標準差。相對脈沖回波電壓靈敏度條形圖中藍、綠、紅三條橫線分別對應-15、-60、-75 dB。如果陣元相對脈沖回波電壓靈敏度SV 低于-75 dB,則該陣元對應靈敏度條形線為紅色，如果靈敏度SV 大于-15 dB 則顯示為藍色，如靈敏度-75 dB＜SV＜-60 dB 則顯示為黃綠色。理論上每個陣元的相對脈沖回波電壓靈敏度應相同，若靈敏度強度過低，如低于20%，則會對彩色和多普勒血流圖像質量造成影響，圖3 所示測試探頭的相對脈沖回波電壓靈敏度均達標。各陣元的中心頻率理論上也應一致，測試中認為中心頻率偏差的最大允許值為標稱頻率的±10%，圖3 所示測試探頭80、92 陣元中心頻率分別為3.12、3.09 MHz，偏差分別為10.9%，11.7%。相對帶寬與超聲系統的總體動態范圍密切相關，一般超聲探頭帶寬高于60%，圖3 所示測試探頭80、92 陣元相對帶寬分別為42.41%，48.38%，低于60%。因此通過檢測，需要對該探頭80、92 陣元進行進一步檢查，結合電學檢測結果確定故障因素。

圖3 測試報告

3 總結

本研究運用頻域分析和可視化技術，基于超聲脈沖回波測試方法，開發了一套在用超聲診斷設備探頭性能檢測系統，并對主要檢測參數結果實現可視化，實現對超聲探頭的頻率特性評估和分析。該檢測系統解決了超聲探頭老化初始時從圖像質量上不被察覺的難題，可用于在用探頭的日常質量控制，進行預防性檢測，及早發現問題，更高效經濟的修復探頭。該測試系統靈敏度高、操作簡便，普適性好，可作為超聲性能檢測評價的重要工具，結合圖像質量檢測評價結果，為超聲性能全面綜合評價提供重要數據支撐。