超聲功率測(cè)量儀設(shè)計(jì)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(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣東 廣州 510663; 2.華南師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510006)

在腫瘤治療領(lǐng)域里，為了確定對(duì)患者利用超聲治療診斷進(jìn)行輻照的時(shí)間長短，需要對(duì)聲動(dòng)力腫瘤治療系統(tǒng)的超聲換能器即超聲探頭的超聲功率進(jìn)行測(cè)量，然后通過計(jì)算可得出超聲有效聲強(qiáng)。測(cè)量方法主要采用輻射力天平法[1-2]：超聲治療設(shè)備的超聲換能器工作時(shí)發(fā)出超聲波，超聲能量通過脫氣水進(jìn)行傳遞，將特定的目標(biāo)靶與超聲探頭的超聲聲軸對(duì)齊，目標(biāo)靶上所受到的軸向聲輻射力與目標(biāo)靶的質(zhì)量成比例關(guān)系，為1 g=14.65 W。在對(duì)病人進(jìn)行診斷治療時(shí)，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(nèi)的藥物[3-4]，從而對(duì)腫瘤進(jìn)行治療。對(duì)腫瘤起主要作用的是藥物，但是超聲功率的大小一方面關(guān)系到藥物的激活情況，另一方面超聲輻射本身對(duì)人體有危害，因此評(píng)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(cè)量儀是目標(biāo)靶位于超聲探頭下方，目標(biāo)靶設(shè)置在測(cè)量儀器上，這種測(cè)量儀比較適合可調(diào)整超聲探頭方位的測(cè)量，而對(duì)于需要測(cè)量固定的超聲探頭超聲功率而言是這種超聲功率測(cè)量儀不能達(dá)到要求的。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

超聲功率測(cè)量儀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括用于稱量的電子天平、測(cè)量待測(cè)物的目標(biāo)靶、避免影響測(cè)量的所需要的吸聲罩、用于測(cè)量超聲作用下待測(cè)物重量的配重塊、還有相關(guān)的杠桿支架和杠桿支撐桿。超聲功率測(cè)量儀結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 超聲功率測(cè)量儀結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1可知，超聲功率測(cè)量儀的支架上設(shè)有可調(diào)節(jié)的工作平臺(tái)，工作平臺(tái)上設(shè)有電子天平，電子天平上設(shè)有配重塊，配重塊通過杠桿機(jī)構(gòu)連接目標(biāo)靶，目標(biāo)靶的正下方為超聲探頭放置區(qū)。

超聲探頭設(shè)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(jié)構(gòu)。

杠桿機(jī)構(gòu)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(biāo)靶連接，杠桿支架由與工作平臺(tái)連接的杠桿支撐桿支撐固定。

目標(biāo)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(cè)量時(shí)，初始狀態(tài)即超聲探頭未發(fā)出超聲波時(shí)，電子天平稱量得到的讀數(shù)記為W1；當(dāng)超聲探頭工作發(fā)出超聲波時(shí)，對(duì)目標(biāo)靶倒置圓錐體形成一個(gè)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(gè)讀數(shù)記為W2。這樣，(W1-W2)的數(shù)值就表征了超聲輻射力，按照1 g=14.65 W，的關(guān)系計(jì)算，就可以得到該超聲探頭的超聲功率值。此外，測(cè)試時(shí)，無氣純凈水作為介質(zhì)，水的深度至少應(yīng)蓋過目標(biāo)靶[1,5-6]。

3 超聲功率測(cè)量儀的研制

根據(jù)超聲功率測(cè)量儀的工作原理及設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行研制。研制時(shí)在超聲探頭放置區(qū)上設(shè)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(shè)置的原因是：在實(shí)際使用過程中，有可能存在多個(gè)超聲探頭同時(shí)工作而需要針對(duì)部分超聲探頭測(cè)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(fù)雜，比較難對(duì)超聲探頭的功率進(jìn)行測(cè)量，而吸聲罩能把需要測(cè)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(cè)量的精度。

可調(diào)節(jié)的工作平臺(tái)一方面能支撐測(cè)量儀器，使之能夠保持稱量所需的水平狀態(tài)，另一方面還能夠通過調(diào)節(jié)上下或者左右移動(dòng)。

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(biāo)靶與配重塊兩者在杠桿機(jī)構(gòu)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(huì)在電子天平上顯示出來，當(dāng)目標(biāo)靶受超聲波輻射時(shí)會(huì)受力改變，配重塊受的拉力也會(huì)改變從而使其合力改變，然后反映在電子天平的讀數(shù)上。通過該杠桿平衡機(jī)構(gòu)可以測(cè)量出超聲波功率。

4 實(shí)測(cè)測(cè)試結(jié)果與分析

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)及研制的超聲功率測(cè)量儀的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，我們?nèi)×?0個(gè)超聲探頭進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)果見表1。

表1 超聲功率測(cè)量儀測(cè)量超聲探頭的功率密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1看，超聲功率測(cè)量儀測(cè)得的不同功率的超聲探頭的功率密度的實(shí)測(cè)值與其標(biāo)示值的差值較小，說明設(shè)計(jì)的超聲功率測(cè)量儀的準(zhǔn)確度較好。另外在不同時(shí)間測(cè)量同一個(gè)超聲探頭，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值沒有差異，表明超聲功率測(cè)量儀測(cè)量超聲探頭具有較好的穩(wěn)定性。

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