一種新型寬波束超聲探頭聲場的研究

【作者】謝錫城，徐百坤，陳德偉

深圳市理邦精密儀器有限公司，廣東，深圳，518067

超聲多普勒胎兒監(jiān)護(hù)因?yàn)闊o創(chuàng)、快捷等原因，在胎兒監(jiān)護(hù)領(lǐng)域是一種普遍采用的方法[2]。而超聲探頭是獲取胎兒心跳信息的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響監(jiān)護(hù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。超聲探頭的結(jié)構(gòu)則是影響其性能的重要因素。

本文通過建模仿真得到一種8晶片探頭和12晶片探頭的聲場分布圖，并據(jù)此對二者的聲場性能進(jìn)行對比分析，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析的正確性。

1 超聲探頭相關(guān)參數(shù)

1.1 探測的深度范圍

臨床研究表明，胎心距離超聲探頭的正常范圍約為6～15 cm[4]，如圖1所示。

圖1 超聲探頭胎心監(jiān)護(hù)模型Fig.1 The model of fetal monitoring of ultrasonic transducer

超聲多普勒胎兒監(jiān)護(hù)設(shè)備所能探測的深度范圍，由主機(jī)和超聲探頭共同決定。主機(jī)控制探測信號的收發(fā)時(shí)序，決定了理論上的探測范圍。為了保證監(jiān)護(hù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求超聲探頭的輻射聲場在胎心的深度范圍內(nèi)具備良好的穿透力、較大的覆蓋面積和較為均勻的聲場分布。如此，胎兒的心臟將處于一個(gè)均勻廣大的聲場空間中，監(jiān)護(hù)結(jié)果準(zhǔn)確可信，并且不會因意外的運(yùn)動而導(dǎo)致胎心信號丟失。

1.2 胎兒監(jiān)護(hù)中的超聲衰減特征

胎兒監(jiān)護(hù)中超聲波的傳播媒質(zhì)是母體生物組織、羊水和胎兒生物組織。當(dāng)超聲波在生物組織中傳播時(shí)，一部分聲能由于媒質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)和多種復(fù)雜的弛豫過程，被轉(zhuǎn)換成了媒質(zhì)的熱能而耗散掉；另一部分聲能則由于生物媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性而被散射到其他方向。這兩類原因?qū)е铝颂綔y聲能的衰減。

其中：α — 衰減系數(shù)，單位為Np/m (奈貝/米)；x1，x2— 超聲波傳播方向上的坐標(biāo)；ξ (x1), ξ (x2) —兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上的振幅。

大量研究工作和實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在生物組織中的聲衰減系數(shù)遠(yuǎn)大于一般的均勻液體中。而且在1 MHz—7 MHz頻率范圍內(nèi)，衰減系數(shù)與頻率基本成線性關(guān)系，即頻率越高衰減越大。假設(shè)按照0.5 cm皮組織層、1.5 cm脂肪層、1 cm子宮壁和14 cm羊水層的數(shù)值關(guān)系，建立簡單模型，根據(jù)衰減系數(shù)[1]的定義可知振幅衰減函數(shù)表示為：A(α,x,f )=e-a.x.f

其中：皮組織的聲衰減系數(shù)取0.23 Np.(cm.MHz)-1；脂肪層的聲衰減系數(shù)取0.06 Np.(cm.MHz)-1；子宮壁的聲衰減系數(shù)取0.12 Np.(cm.MHz)-1；羊水層的聲衰減系數(shù)取0.0012 Np.(cm.MHz)-1。

2 探頭聲場的建模分析

2.1 單晶片聲場建模分析

目前超聲多普勒胎兒監(jiān)護(hù)超聲探頭多采用多晶片的陣列結(jié)構(gòu)，晶片數(shù)量和排布方式?jīng)Q定了聲場性狀。單個(gè)晶片是構(gòu)成陣列的基本單元，建立其聲場模型后，通過空間聲場的干涉疊加得到整個(gè)陣列的輻射聲場。為了簡化模型，在所建模型中采用探頭工作在連續(xù)波模式下。

本文所研究的基本陣列單元為圓形晶片，故可在柱坐標(biāo)系下建立波動方程[3]。因壓電晶片振動的驅(qū)動力為電場力，晶片厚度方向上的兩面全部均勻鍍銀作為正負(fù)電極，驅(qū)動電壓施加在正負(fù)極間，因此電場力（即晶片驅(qū)動力）為極軸對稱的，故聲場也是極軸對稱的，即與極坐標(biāo)角θ無關(guān)，此時(shí)柱坐標(biāo)系下的波動方程可表示為：

本文所研究的探頭晶片半徑為a = 0.005m，工作頻率為 f = 1MHz，水中聲速為 c = 1500m/s，即可得到本文所研究的探頭晶片的輻射聲場解：

2.2 陣列聲場建模分析

陣列聲場是單晶片聲場的干涉疊加。

設(shè)在前文所述的無量綱坐標(biāo)系中，σ=0的平面上存在由N個(gè)晶片構(gòu)成的任意分布的陣列，任意選取平面上一點(diǎn)作為坐標(biāo)系原點(diǎn)（不失一般性地選取陣列中心空置點(diǎn)），如圖2所示。

圖2 無量綱柱坐標(biāo)系示意圖Fig.2 The non-dimension cylinder coordinates

圖3 無量綱柱坐標(biāo)系下任意晶片陣列示意圖Fig.3 Crystal array in non-dimension cylinder coordinates

設(shè)第i個(gè)晶片的圓心位置為(ρi,αi)，晶片表面振速分布為ui(ξ')，該晶片在σ=σ0的平面上任意點(diǎn)P(σ0,ξ,θ)處的輻射聲壓為pi(σ0,ξ,θ)，該平面上的虛線圓為第i個(gè)晶片的向上投影，則整個(gè)晶片陣列在點(diǎn)pi(σ0,ξ,θ)處的輻射聲壓為：

圖4 (a) 8晶片探頭陣列結(jié)構(gòu) (b) 12晶片探頭陣列結(jié)構(gòu)Fig.4 (a) The 8 piezoelectric crystals array (b) The 12 piezoelectric crystals array

3 探頭聲場的仿真分析

3.1 實(shí)際探頭的晶片陣列結(jié)構(gòu)

本文研究的8晶片和12晶片探頭的實(shí)際陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5 8晶片(左)和12晶片(右)探頭下方不同深度平面上的平均聲強(qiáng)分布仿真圖Fig.5 The mimic pattern of the Average Intensity in different depths under the surface of transducers of 8 crystals (left) &12 crystals (right)

3.2 實(shí)際探頭聲場的仿真

結(jié)合圖3所示的探頭晶片陣列結(jié)構(gòu)，可推知：8晶片探頭聲場表達(dá)式：

根據(jù)上述公式(5)和(6)，編程仿真不同深度上的探頭聲場分布。仿真條件為：信號頻率1 MHz，深度分別為探頭下方6 cm、9 cm、12 cm和15 cm，仿真面積5 cm× 5 cm，柵格點(diǎn)上的仿真值為歸一化平均聲強(qiáng)分貝值。仿真圖如圖5所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

1.隨著深度的增加，8晶片探頭聲場逐漸呈現(xiàn)矩形分布，12晶片探頭聲場逐漸呈現(xiàn)圓形分布；

2.12晶片探頭聲場的覆蓋面積大于8晶片探頭；

3.12晶片探頭聲場的均勻性優(yōu)于8晶片探頭；

4 探頭聲場的實(shí)際測試

4.1 測試設(shè)備及環(huán)境

采用ONDA CORPORATION針式水聽器，在脫氣水自由場中獲得數(shù)據(jù)。

4.2 測試方案

① 安裝探頭，保證其發(fā)射面水平；

② 安裝水聽器，保證其與探頭發(fā)射面垂直；

③ 分別在探頭下方6 cm、9 cm、12 cm和15 cm深度平面上做柵格掃描，得到所給定深度上的聲場分布和聲輸出參數(shù)。

4.3 測試結(jié)果

4.3.1 聲輸出參數(shù)及聲場分布

表1 實(shí)測不同深度上的聲輸出參數(shù)Tab.1 Ultrasonic output parameters in different depths

實(shí)際測量得到的不同深度上的歸一化平均聲強(qiáng)分布如圖6所示：

圖6 8晶片(左)和12晶片(右)探頭下方不同深度平面上的平均聲強(qiáng)分布實(shí)測圖Fig.6 The mimic pattern of the Average Intensity in different depths under the surface of transducers of 8 crystals (left) &12 crystals (right)

4.3.2 實(shí)測結(jié)果分析

① 實(shí)測得到的聲場分布與仿真結(jié)果吻合較好，證實(shí)了模型的正確性。

② 實(shí)測得到的聲場分布形式和變化狀況與3.3節(jié)的仿真結(jié)果分析相同；

③ 不同深度上兩探頭單位面積聲功率Ib、Ispta和pr相當(dāng)，無明顯差異。

5 臨床效果及結(jié)論

5.1 臨床效果

圖7 8晶片和12晶片探頭臨床效果對比Fig.7 The contrast of clinical performance of 8 crystals & 12 crystals ultrasonic transducer

將一個(gè)8晶片探頭和一個(gè)12晶片探頭同時(shí)接到具備獨(dú)立雙通道的EDAN F9胎兒母親監(jiān)護(hù)儀上，并同時(shí)放到同一個(gè)孕婦身上，用同一控制模塊分時(shí)切換，采集的數(shù)據(jù)由同一處理器同一段算法分時(shí)計(jì)算，10 min后交換兩個(gè)探頭的位置（以避免探頭與胎心位置的偏差造成的影響），將兩個(gè)探頭獲取的胎心曲線分別打印出來，進(jìn)行綜合比較。兩種探頭監(jiān)護(hù)獲得的胎心曲線如圖7中所示。相比較而言，12晶片陳列的探頭性能優(yōu)于8晶片。該圖中用長方形框標(biāo)出的部分，顯示出8晶片陳列探頭、監(jiān)測的曲線者有模糊處，而12晶片陣列探頭測得曲線此處仍十分清晰。

5.2 結(jié)論

① 仿真和實(shí)際測試得到的聲場分布形式一致，證明本文所建模型的正確性；

② 12晶片超聲探頭的聲場均勻，覆蓋面積較大，聲場性能優(yōu)異，增加了對胎心探測的覆蓋能力。

③ 12晶片超聲探頭的聲輸出參數(shù)較小，與8晶片探頭相比無明顯差異，說明增加晶片數(shù)目并未增大聲輸出強(qiáng)度，胎兒安全可以得到保障。

④臨床效果表明，在信號微弱或者胎動頻繁時(shí)，12晶片探頭計(jì)算更少斷線，靈敏度更高，穩(wěn)定性更好。

[1]馮諾.超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計(jì)[M].北京: 中國醫(yī)藥科技出版社,1993

[2]程志厚.胎兒電子監(jiān)護(hù)學(xué)[M].北京，人民衛(wèi)生出版社, 2001

[3]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京: 南京大學(xué)出版，第2版, 2001年3

[4]Andreas boos A New, Lightweight Fetal Telemetry System[J].Hewlett-Packard Journal, 1995, December: 6-7