基于凌华PCI-9846高速数字化仪的复杂超声场自动检测与分析

该研究为复杂医学超声传感器的设计与超声场自动测量分析及参数建模领域

• 挑战

为了适应人体组织结构的特点，医学超声换能器的设计正向复合声场方面发展，复杂超声场的测量与建模是业界公认的难题。传统的超声场测量信号采集效率低，不能进行信号的自动采集分析，更不能满足复杂超声场的参数评估与准确建模，制约了复杂医用超声换能器的设计与应用。为了适应复杂超声换能器设计和应用的要求，迫切需要研究一种适合复杂超声场信号的自动检测与分析系统，以解决复杂超声场的计算建模及实际测量中存在的诸多困难。

• 解决方案

以凌华科技PCI-9846高速数字化仪为中心，组合前置放大器与水听器，用LabVIEW开发高效声场信号采集系统，通过高效的数据采集模块，将三维声场的声压数据实时显示和保存。设计、制作步进电机驱动的四轴精密工业机器人系统，开发自动控制与自动测量系统，实现超声场任意部位的立体定位，实现机器人测量点自动定位控制和数据采集之间的协调。开发声场测量数据的回放及多功能综合分析系统，可视化显示结果。

　1. 应用背景

医用超声诊断和治疗设备已经成为医疗卫生事业中不可或缺的组成，尤其是对患者的健康生活起着重要的作用。在超声诊断和治疗中都离不开超声换能器这一重要的器件。因此对其声场特性和频率等性能的准确测定，需要引起超声设备研究人员和换能器生产单位的足够重视。现在国内对声换能器性能的全面测试还没有普及，尤其是与国外产品相比，有的制造者不能对其生产的换能器提供可靠的性能数据，价格，性能，稳定程度的差距不小，成为国内超声换能器设备研制和生产工艺的瓶颈［1］。

面对复杂的医疗临床要求，超声设备对换能器的选型和设计的要求也越来越高，而在使用过程中，由于压电材料自身的特性和其它原因，如温度变化大，保存不规范和操作失误等，有可能使换能器性能受损。如果在这种不知情的情况下继续使用，容易造成医疗事故和漏检等，其治疗和诊断效果的可靠性都很难保证，带来的后果和损失也不堪设想，因此急需设计合理检测超声换能器声场特性的系统和方案。超声的物理特性研究是超声生物效应研究的基础，随着超声技术应用更广泛，目前国内外开展了许多对超声辐射的生物效应的研究课题，特别是如换能器频率，输出功率，辐射时间等是如何与组织相互作用的，这方面取得了很多的研究成果，超声辐射场的特性也倍受人们的重视。虽然超声工程中各种新技术不断发展，但是可视化成像技术和计算机应用仍然是医学超声工程中的薄弱缓解，因此需要在硬件设备和软件开发的基础上自主创新，加快超声场的测量和建模仿真的研究。

生物医学超声工程中对超生辐射声场特性的研究，主要包括两个方面：一方面开发基于计算机辅助计算的仿真软件上，另一方面研究进行超声实际测量的多功能系统。目前生物医学超声的自动检测系统还不多见，超声的自动检测主要是应用于工业探伤检测，如浙江大学开发的无损检测工艺制定专家系统（CAPPNDT） ［2］，冶金部压力容器检测站研制的无损检测的专用软件NDTS［3］等，将机电一体化的自动控制技术应用于超声信号的采集，量化处理的研制。虽然目前针对医疗超声技术应用的超声测量和仿真系统的理论研究还鲜见报道，但也有一些公司研发相关的超声医疗设备，如fluke的Sonora超声声场检测系统等。

2.面临的问题

虽然目前对超声换能器声场性能的测量进行了许多研究工作，但是测量过程中普遍使用示波器人工方法，效率低，机械化程度差，人为误差大，严重影响了检测结果的精确性和可信性。随着超声设备在医学诊断和治疗中的应用越来越广泛，对超声换能器的功能要求更多元化和精确化。

为了适应人体组织结构的特点，医学超声换能器的设计正向复合声场方面发展，复杂超声场的测量与建模是业界公认的难题。特别对于组合阵列换能器和复频率换能器的设计和测试评估中，通过先进的超声场自动检测技术可以节省检测时间和经费；另外，由于医疗应用中传播超声的介质是生理材料，具有特殊性如非均质和各向异性的需要，对超声波诊断和治疗中换能器使用的方案和参数设计提出了更高的要求，因此，必须对超声换能器发射声场的物理作用作深入的研究。传统的超声场测量信号采集效率低，不能进行信号的自动采集分析，更不能满足复杂超声场的参数评估与准确建模，制约了复杂医用超声换能器的设计与应用。为了适应复杂超声换能器设计和应用的要求，迫切需要研究一种适合复杂超声场信号的自动检测与分析系统，以解决复杂超