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

超聲多普勒胎兒監護因為無創、快捷等原因，在胎兒監護領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鍵部件，其性能的優劣直接影響監護結果的準確性。超聲探頭的結構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，并據此對二者的聲場性能進行對比分析，最后通過實驗驗證了仿真分析的正確性。

1 超聲探頭相關參數

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 超聲探頭胎心監護模型Fig.1 The model of fetal monitoring of ultrasonic transducer

超聲多普勒胎兒監護設備所能探測的深度范圍，由主機和超聲探頭共同決定。主機控制探測信號的收發時序，決定了理論上的探測范圍。為了保證監護結果的準確性，要求超聲探頭的輻射聲場在胎心的深度范圍內具備良好的穿透力、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均勻廣大的聲場空間中，監護結果準確可信，并且不會因意外的運動而導致胎心信號丟失。

1.2 胎兒監護中的超聲衰減特征

胎兒監護中超聲波的傳播媒質是母體生物組織、羊水和胎兒生物組織。當超聲波在生物組織中傳播時，一部分聲能由于媒質的粘滯性、熱傳導和多種復雜的弛豫過程，被轉換成了媒質的熱能而耗散掉；另一部分聲能則由于生物媒質結構的不均勻性而被散射到其他方向。這兩類原因導致了探測聲能的衰減。

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

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

其中：皮組織的聲衰減系數取0.23 Np.(cm.MHz)-1；脂肪層的聲衰減系數取0.06 Np.(cm.MHz)-1；子宮壁的聲衰減系數取0.12 Np.(cm.MHz)-1；羊水層的聲衰減系數取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護超聲探頭多采用多晶片的陣列結構，晶片數量和排布方式決定了聲場性狀。單個晶片是構成陣列的基本單元，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，故可在柱坐標系下建立波動方程[3]。因壓電晶片振動的驅動力為電場力，晶片厚度方向上的兩面全部均勻鍍銀作為正負電極，驅動電壓施加在正負極間，因此電場力（即晶片驅動力）為極軸對稱的，故聲場也是極軸對稱的，即與極坐標角θ無關，此時柱坐標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。

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

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

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

設第i個晶片的圓心位置為(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個晶片的向上投影，則整個晶片陣列在點pi(σ0,ξ,θ)處的輻射聲壓為：

圖4 (a) 8晶片探頭陣列結構 (b) 12晶片探頭陣列結構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 實際探頭的晶片陣列結構

本文研究的8晶片和12晶片探頭的實際陣列結構如圖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 實際探頭聲場的仿真

結合圖3所示的探頭晶片陣列結構，可推知：8晶片探頭聲場表達式：

根據上述公式(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，柵格點上的仿真值為歸一化平均聲強分貝值。仿真圖如圖5所示。

3.3 仿真結果分析

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

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于8晶片探頭；

4 探頭聲場的實際測試

4.1 測試設備及環境

采用ONDA CORPORATION針式水聽器，在脫氣水自由場中獲得數據。

4.2 測試方案

① 安裝探頭，保證其發射面水平；

② 安裝水聽器，保證其與探頭發射面垂直；

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。

4.3 測試結果

4.3.1 聲輸出參數及聲場分布

表1 實測不同深度上的聲輸出參數Tab.1 Ultrasonic output parameters in different depths

實際測量得到的不同深度上的歸一化平均聲強分布如圖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分布實測圖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 實測結果分析

① 實測得到的聲場分布與仿真結果吻合較好，證實了模型的正確性。

② 實測得到的聲場分布形式和變化狀況與3.3節的仿真結果分析相同；

③ 不同深度上兩探頭單位面積聲功率Ib、Ispta和pr相當，無明顯差異。

5 臨床效果及結論

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8晶片探頭和一個12晶片探頭同時接到具備獨立雙通道的EDAN F9胎兒母親監護儀上，并同時放到同一個孕婦身上，用同一控制模塊分時切換，采集的數據由同一處理器同一段算法分時計算，10 min后交換兩個探頭的位置（以避免探頭與胎心位置的偏差造成的影響），將兩個探頭獲取的胎心曲線分別打印出來，進行綜合比較。兩種探頭監護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于8晶片。該圖中用長方形框標出的部分，顯示出8晶片陳列探頭、監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 結論

① 仿真和實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較小，與8晶片探頭相比無明顯差異，說明增加晶片數目并未增大聲輸出強度，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，12晶片探頭計算更少斷線，靈敏度更高，穩定性更好。

[1]馮諾.超聲診斷設備原理與設計[M].北京: 中國醫藥科技出版社,1993

[2]程志厚.胎兒電子監護學[M].北京，人民衛生出版社, 2001

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

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