医学超声诊疗设备计量检测方法分析

范美芹

摘要：随着医疗技术的进步，超声诊断设备在增强超声诊断水平、增强疗效的同时，其强度也在逐渐增大，这就增加了临床应用中的危险性，为此，需要分析和校准各种超声诊断仪器的声场分布和功率测量，以保证医疗仪器的安全、可靠。本文主要对非接触式超声温度测量技术、超声声场分布测量与校准装置、高噪声水听器三个方面的核心组件和关键技术进行研究，以为医学超声诊断设备和治疗手段的质量提升提供参考。

关键词：医学超声；设备；计量检测

在超声技术不断发展与医疗设备研发日新月异的前提下，相关诊断和治疗的手段已经在临床上发挥出了无法替代的作用。随着科技的发展和发展，超声诊断设备的种类越来越多，其诊断方法、超声剂量以及频率也不尽相同。随着高聚焦超声技术的迅速发展，超声诊断设备的强度越来越大，使用的危险性也越来越大，如果使用不当，会对人体的器官和组织造成不可逆转的损伤^[1]。因此，为保证超声诊断设备的效能和运行的安全性，必须对现有的超声波设备进行超声波声场分布测量、功率测量方法研究、数据分析以及其它参数标定。其中，核心组件和关键技术包括：非接触式超声温度测量技术、超声声场分布测量与校准装置、高噪声水听器三个方面。

1. 基于水听器的超声设备检测

近三十年来，国家标准委员会和国际电工委（IEC）以医疗超声设备的性能为基础，包括辐射声功率、声场、声强、声压等，不间断发布或更新有关检测标准，如GB/T19890、IEC/TR62649、IEC61689等^[2]。截至目前为止，检测医疗超声设备的常见方法主要有辐射力天平法、量热法、水听器扫描法和声光衍射法，四种方法各自的原理和特点详见表1。

表1医疗超声设备的主要检测方法

种类	原理	特点
辐射力天平法	声波辐射使天平平衡发生偏移。	对大型传感器的要求很高，而且价格昂贵，无法探测到更大的传感器。
量热法	声波能量向热能转换，探测体积与温度的改变。	体积变化、介质温度、浮力等非均匀性分布，容易造成测量结果的偏移，而在低功耗下，则存在很大的误差。
水听器扫描法	采用流动式水听器对声压、声强等进行逐点扫描，并对其进行数值模拟，得出其声功率。	能测量声功率、声强、声压以及声场的分布情况。
声光衍射法	当超声光束在垂直方向上与光束相交时，其声功率等于放置的相位光栅，由光束衍射强度的相关数值计算出的声功率。	虽然测量精度较高，但是在介质中的大振幅声波会产生失真，不能用于强声功率的测量。

总之，水听器扫描法是现阶段仅有的一种可以同时进行“剂量”与“分布”的探测方法。水听器扫描法的缺点是对实验仪器的要求比较高，计算公式比较繁琐，需要用计算机进行大量的数值积分。利用该法对超声波装置进行了多项参数的测量，可以较好地反映出超声波装置的声场特性，可以对超声波仪器进行有效的评估，但这种方法不能满足辐射天平和量热法的要求。近几年来，在这方面，水听器扫描法是目前国内外研究超声波声场参数的一个热点和发展趋势，故水听器作为该方法的关键核心设备成为了水声界研究的热点。因此，作为这一技术中的关键核心器件，水声技术一直是水声领域的一个重要课题。目前国内很少有研究机构能制造出能进行简单超声波检测的水听器，以探针水听器最为常见。在性能、品种等方面，与国外同类产品相比仍有很大差距。

2. 国内声场检测校准装置研究

上海交通大学在声场分布测试系统的研究中处于领先地位，其研制的水听器法测量声场系统表现优异，研制的PVDF高频水听器达到了世界领先水平，开发了11个自由度的SJTU-1，能够精确地检测超声声场^[3]。可在聚焦区域内，对声场进行X、Y、Z三个方向的扫描，将各个扫描点的数据进行绘制，形成一个健全的声压分布图，并实时地显示出声压的平方积分，以便操作人员做出判断，选择最大声压值的空间位置。采用了探针固定装置，使被测探针处于水池表面之上，仅使辐射表面浸泡在水中，使探测器不会与水中发生接触，从而使探测器不会受到损害。保证探针的旋转自由度为α、β、γ，其中β角可以由步进电机进行微角度的扫描。三个平动自由度，确保了在测量凸阵时，它的扇面中心与O点完全一致，在测量线阵时，直线阵列的相对中心在Ovh点上。上海交通大学超声医学实验室开发的JJ-600A压电薄膜式水听器作为测量水听器，其表面平整、高频性能优良。由TektronixTDS-5052型数字示波器与电脑相结合进行数据采集，可以同时采集和存储100,000个波形，它能满足声场中各个点的水听器的瞬态电压波形数据的采集、存储和计算

^[4]。步进电机控制系统包括步进电机、接口板、8031系统板和RS-232等部分，可以通过电脑进行控制，还可以对前面的面板进行按键操作。

三、超声无创测温

在临床上，HIFU、肝射频消融术都要求在50摄氏度以上，因此要对靶区的温度进行实时监控，确保疗效和安全性。目前，还没有一种有效的温度测量手段，也没有仪器，所以无创性的温度测量一直是一个热门的课题。目前进行的方法有：超声测温技术、X射线断层扫描测温法、电阻抗（EIT）测温法、微波（MW）测温法和核子共振（MRI）测温法。但这些方法也存在显著的弊端，具体包括：MRI温度测温技术的仪器成本较高，对环境有一定的要求，不能带金属，不能实时；CT对人体有辐射，不宜长期工作，而微波辐射法的检测深度和准确度无法满足监测的需要；电阻抗测温方法的测量精度不高。超声测温由于其实时性好、兼容性好、对人体危害小等特点，在温度测量中得到了广泛的应用。

超声波无创性测量体温的理论基础是通过测量组织内的超声波参数与温度之间的关系来实现。超声波接收端接收到的信号也会随着温度的变化而变化，采用适当的信号处理技术，提取出相应的声学参数，最终得出相应的温度变化值。目前，测量温度的方法主要有四个，参见表2。

表2超声无创测温的方法

声学参数	具体测温方法
声速	基于声速测温
	基于回波时移或频移测温
	基于声衰系数测温
衰减系数	基于声能量测温
	基于B超灰度值和纹理特征测温
背向散射系数	基于超声背向散射能量测温
	基于超声背向散射积分测温
非线性系数（B/A）	基于非线性参数测温

声速测温技术的原理是通过测量物体表面的温度，使物体表面的速度和散射间隔发生改变来测量物体表面的温度，这种测量方法的装置和工作原理都比较简单，但在实际应用中，其散射条件比较复杂，对测量结果产生较大的影响。利用散射系数进行测量，得出散射系数与温度之间存在一定相关关系的结论。然而这种测量方法的空间分辨率很低，只能在比较理想的情况下进行；由于超声波的非线性参数（B/A）与温度具有很高的相关性，所以它也可以用于测温，但在测量之前必须了解被测组织的B/A与温度之间的关系，这就给临床测量带来了很大的难度；当温度发生变化时，物体对超声波信号的衰减程度会发生变化，从而可以根据信号幅度的变化得到温度的变化。由于声衰减系数具有较高的温度相关性，因此采用该方法可以得到较高的温度分辨率，因此已成为目前超声波无创性测量领域的一个热点。许多学者的研究结果显示，利用声衰减系数进行温度测量是一种很有前途的方法，但是由于受辐射和声场的影响，测量精度还需要进一步提高。以声衰减系数为原理进行温度测量的关键是要准确地得到阻尼系数的变化，也就是声功的改变，但是，目前的方法距离准确、快速的求解尚有一段距离。

四、结束语

根据新开发的医疗诊断仪器、高强度超声波治疗仪的性能标定技术，开发相应的仪器仪表，可为各医疗机构、生产单位提供全面的测量和测试。同时，对超声温度的测量也能有效地提高手术的成功率。今后的研究工作将涵盖各种超声波仪器的声学参数检测。最终，通过建立国内超声波仪器量值的追溯与传输系统，为国内超声仪器的发展提供了有力的保证，为其更好地打入国际市场，提供了可靠的检测与检测手段，将产生巨大的社会经济效益。

参考文献：

[1]郑音飞,付文鑫,姚磊,等.医学超声诊疗设备计量检测方法研究与探索[J].2022(11).

[2]高申平,任慧燕,姚磊,等.医用超声诊疗类设备的声场检测方法[J].2022(21).

[3]陈颖,罗莉,郑蕴欣.基于专家咨询法的医用超声诊断设备服务体系评价指标筛选研究[J].中国医疗设备,2020,35(2):3.

[4]韩婷.医用超声诊断仪的计量检定与质量控制[J].2020.