超聲功率計(jì)的研制

【作 者】黃鴻新，胡昌明，鄭燕，徐紅蕾，周沃華，吳子文，余柳丹，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，廣州市，510663

2 華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州市，510006

0 引言

惡性腫瘤是21世紀(jì)影響人類健康的頭號(hào)殺手。目前，作為選擇性好、副作用小的惡性腫瘤治療方法，光動(dòng)力治療(Photodynamic Therapy,PDT)和聲動(dòng)力治療具有很好的應(yīng)用前景[1]。

在腫瘤治療領(lǐng)域里，如要使用超聲治療儀，聲動(dòng)力腫瘤治療儀就是一種較為典型的儀器。其超聲探頭固定在浴缸的底部和側(cè)面，在對病人進(jìn)行治療時(shí)，病人躺在注滿水的浴缸中，通過水的耦合，人體接受超聲輻射，從而激活體內(nèi)藥物，對腫瘤進(jìn)行治療[2]。對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，另一方面過多的超聲輻射對人體有危害，因此評估超聲功率大小十分重要。

目前，市面上的超聲功率計(jì)的目標(biāo)靶大多設(shè)于超聲探頭下方[3]，比較適合對可調(diào)整超聲探頭方位的功率進(jìn)行測量，卻無法對聲動(dòng)力腫瘤治療儀的超聲探頭功率進(jìn)行測量。對此，我們設(shè)計(jì)和研制了一種超聲功率計(jì)，其目標(biāo)靶通過連桿連接在電子天平的底部，而電子天平可通過支撐裝置固定在聲動(dòng)力腫瘤治療儀浴缸上方，方便調(diào)節(jié)與探頭的垂直距離和水平位置，從而對固定的超聲探頭功率進(jìn)行測量。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

超聲功率計(jì)用于測量超聲的功率，其測量方法主要采用輻射力天平法[4]：超聲治療設(shè)備的超聲換能器在工作時(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齊，目標(biāo)靶上所受到的軸向聲輻射力與目標(biāo)靶的重量成正比例關(guān)系[5]。因此，一般超聲功率計(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括測量時(shí)用于稱重的電子天平，測量待測物的目標(biāo)靶，避免影響測量結(jié)果的吸聲罩，待測或校準(zhǔn)的超聲探頭，還有相應(yīng)的工作臺(tái)等。

超聲功率計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，包括支撐裝置（支架6），支架6上設(shè)有可調(diào)節(jié)的工作平臺(tái)7，工作平臺(tái)7上設(shè)有電子天平1，電子天平1通過連桿2連接了目標(biāo)靶3（圓錐體），目標(biāo)靶3正下方為超聲探頭放置區(qū)5。

其中，超聲探頭5放置區(qū)就是聲動(dòng)力腫瘤治療浴缸面8上設(shè)置的多個(gè)超聲探頭，超聲探頭放置區(qū)設(shè)有用于罩住超聲探頭的吸聲罩4，吸聲罩4由可吸收超聲干擾的材料圍成的圓筒狀結(jié)構(gòu)。

圖1 超聲功率計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic fi gure of ultrasound power meter

目標(biāo)靶3為圓錐半角為45o且底面積為5000 mm2的圓錐體，其錐角朝向超聲探頭固定的方向。

工作平臺(tái)為硬質(zhì)平面，具有一定的承重能力（不小于5 kg）。

2 超聲功率計(jì)的研制

根據(jù)超聲功率計(jì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行研制，首先聲功率計(jì)的連接，其支撐裝置上設(shè)置了測量儀器，測量儀器則通過連桿連接了目標(biāo)靶，目標(biāo)靶的正下方連接超聲探頭放置區(qū)。

在超聲探頭放置區(qū)上設(shè)置用于罩住超聲探頭的吸聲罩，要注意的是，吸聲罩是由可吸收超聲干擾的材料圍成的圓筒狀結(jié)構(gòu)，這種設(shè)置可用于排除其他超聲探頭的干擾，且減少測試探頭的聲反射。這里吸聲罩設(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)工作而需要對部分超聲探頭進(jìn)行測量，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，而吸聲罩能把需要測量的超聲探頭“罩”起來，可以有效避免其他超聲探頭的干擾，提高測量的精度。

支撐裝置主要是研制支架。支架連接了可調(diào)節(jié)的工作平臺(tái)，工作平臺(tái)上設(shè)有測量儀器?？烧{(diào)節(jié)工作平臺(tái)的作用是：一方面能支撐測量儀器，使之能夠保持稱量所需的水平狀態(tài)，另一方面還應(yīng)能夠通過調(diào)節(jié)上下或者左右移動(dòng)，使得測量儀器和目標(biāo)靶能夠調(diào)整至任意超聲探頭的上方。

研制時(shí)，連桿與測量儀器和目標(biāo)靶的連接均為固定連接。測量儀器為電子天平，電子天平下部稱量接口與連桿相連，連桿另一頭與目標(biāo)靶相連，兩者的連接均為固定連接，連桿材質(zhì)可為鋁合金等硬性輕質(zhì)金屬，這些均有助于保持目標(biāo)靶的穩(wěn)定，從而能提高測量的穩(wěn)定性。

目標(biāo)靶為圓錐體，圓錐體錐角朝向超聲探頭，圓錐體為倒置設(shè)置，使其錐角朝向超聲探頭，圓錐半角為45o。

為了更好使用研制的超聲功率計(jì)，特別要注意：測量時(shí)，由吸聲材料制成的圓筒吸聲罩在所選中測量的超聲探頭上方，讓探頭處于圓筒中間位置，目標(biāo)靶和連桿及電子天平相連，將目標(biāo)靶（目標(biāo)靶是倒置金屬圓錐）圓錐體錐角與超聲探頭中心大致對齊，記錄下此時(shí)的天平讀數(shù)W1。使探頭工作，發(fā)出超聲波，超聲波作用在圓錐靶上，由于目標(biāo)靶是半角為45o的圓錐體，超聲波作用在圓錐側(cè)面，對靶形成一個(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)，待穩(wěn)定后讀取天平讀數(shù)W2。此時(shí)，W1-W2的數(shù)值就表征了超聲輻射力，按照1 g=>14.71 W，1 mg=>14.71 mW的公式計(jì)算[5]，就可以得到該超聲探頭的超聲功率值。此外，測試時(shí)，浴缸里是放了無氣純凈水的，水的深度至少應(yīng)蓋過目標(biāo)靶。

與現(xiàn)有的超聲功率計(jì)設(shè)備比較，本文研制的設(shè)備有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)具有實(shí)質(zhì)性區(qū)別，現(xiàn)有超聲功率計(jì)的目標(biāo)靶位于超聲探頭下方，然后目標(biāo)靶設(shè)置在測量儀器上；本超聲功率計(jì)是目標(biāo)靶的正下方為超聲探頭放置區(qū)，工作時(shí)超聲探頭放置區(qū)放置超聲探頭，使得目標(biāo)靶位于超聲探頭之上，進(jìn)行測量。很明顯目標(biāo)靶與超聲探頭的相對位置關(guān)系前后兩者就是相反的，而且，本實(shí)用新型超聲功率計(jì)的結(jié)構(gòu)恰好可以適用于超聲探頭固定的情況，很好地解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。此外，還能測量固定的超聲探頭功率，結(jié)構(gòu)簡單、測量穩(wěn)定且測量精度較高。

3 測試結(jié)果

由于臨床上，聲動(dòng)力治療腫瘤使用的超聲功率范圍是（1.2～3.5）W，為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)及研制的超聲功率計(jì)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，我們選取了多個(gè)超聲探頭在功率為（1.2～3.5）W的范圍內(nèi)進(jìn)行測量，得到的結(jié)果見表1。

從表1的結(jié)果來看，超聲功率計(jì)測量不同功率的超聲探頭，其實(shí)測值與其標(biāo)示值的差值較小，說明設(shè)計(jì)的超聲功率計(jì)的準(zhǔn)確度較好。另外，在不同時(shí)間測量同一個(gè)超聲探頭，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值差異不大，結(jié)果表明超聲功率計(jì)測量超聲探頭具有較好的穩(wěn)定性。

表1 超聲探頭的測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of ultrosound probe

[1]林建光,張為民,王曉懷,等.聲敏劑Sonoflora 介導(dǎo)的聲動(dòng)力治療小鼠S180 肉瘤的實(shí)驗(yàn)研究[J].臨床腫瘤學(xué)雜志,2013,18(4):300-304.

[2]趙廣連,王曉懷,蘇江安,等.全方位超聲醫(yī)療系統(tǒng)[P].[3012-03-21].200810161328.6.

[3]霍彥明,周月俠,王鵬程,等.寬功率范圍超聲功率計(jì)的設(shè)計(jì)研究[J].聲學(xué)技術(shù),2004,1: 68-69.

[4]任宏偉,崔濤,徐勝鶴,等,常見超聲功率計(jì)的原理及應(yīng)用[J].中國計(jì)量,2011,12: 110-111.

[5]全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 7966-2009 聲學(xué) 超聲功率測量 輻射力天平法及性能要求[S].