中國計量院建立高頻水聽器校準(zhǔn)裝置 為超聲應(yīng)用提供更準(zhǔn)的「尺子」

● 劉旭紅 史玉成

中國計量院建立高頻水聽器校準(zhǔn)裝置 為超聲應(yīng)用提供更準(zhǔn)的「尺子」

● 劉旭紅 史玉成

醫(yī)院的B超、血管心臟超聲檢查，工業(yè)中的超聲探傷、超聲無損檢測……超聲，在人們生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛。那么，超聲檢查的準(zhǔn)確度和分辨力是靠什么來保障的呢？怎樣才能提高呢？這就是中國計量院力聲所楊平團隊目前研究工作的重要內(nèi)容。

最近，楊平團隊采用激光外差法建立高頻水聽器校準(zhǔn)裝置，將我國高頻超聲測量的頻率上限由現(xiàn)有基準(zhǔn)的5MHz提高到60MHz，為超聲應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)更高、精度更準(zhǔn)的“尺子”。

楊平介紹說，人們習(xí)慣上將頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波，超聲因其指向性好，穿透能力較強，易于獲得較集中的聲能，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、治療以及工業(yè)檢測等領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，超聲設(shè)備尤其是B超，因其無創(chuàng)、無痛、方便、直觀，已成為使用量最大、頻次最高、涉及人群最廣的設(shè)備之一。我國已成為全球最大的超聲診斷設(shè)備生產(chǎn)和使用國，超聲設(shè)備年產(chǎn)值達到百億元；在工業(yè)檢測領(lǐng)域，超聲檢測也是最主要的無損檢測技術(shù)之一。關(guān)鍵設(shè)備檢測、飛行器關(guān)鍵部件、半導(dǎo)體行業(yè)中高純度濺射靶材等高端制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制都離不開超聲檢測。

在影響超聲診斷設(shè)備安全評估、性能評價的眾多因素中，高頻水聽器是楊平團隊最為關(guān)鍵的器件。據(jù)楊平介紹，高頻水聽器其實就是一種在水里能聽見聲音的高頻傳感器，能將水里的超聲信號接收并轉(zhuǎn)化為電信號。高頻水聽器的靈敏度準(zhǔn)確與否，對于保障超聲診斷設(shè)備的安全性、超聲治療設(shè)備的劑量準(zhǔn)確性至關(guān)重要，對于確定超聲換能器也就是人們常說的超聲探頭參數(shù)、制定檢測方案、定量評估檢測結(jié)果尤為重要。

在實際應(yīng)用中，超聲診斷、檢測的分辨力與介質(zhì)中的波長密切相關(guān)。一般來說，波長越小，頻率越高，超聲波檢測的分辨能力也越高。如1MHz的超聲波在人體中的波長大約為1.5mm，而10MHz的超聲波在人體內(nèi)波長大約為0.15mm，理論上可將檢測的空間分辨率提高10倍。

為了得到更高的診斷及檢測分辨力，目前用于眼科、皮膚及血管內(nèi)成像等檢查的超聲診斷設(shè)備工作頻率已達到40 MHz甚至60MHz，因此相應(yīng)地對高頻水聽器校準(zhǔn)頻率范圍提出了越來越高的要求。但我國原有的高頻水聲基準(zhǔn)頻率范圍為0.5MHz～5MHz，其頻率范圍已不能滿足國內(nèi)超聲相關(guān)企業(yè)的溯源需求，更不能滿足醫(yī)用超聲、高端裝備制造等行業(yè)的發(fā)展需求。我國高端的高頻水聽器、超聲換能器基本都要到國外去溯源，不僅成本高，而且每次都需要幾個月甚至一年的時間，嚴重制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

為此，楊平團隊于2009年開始了該方面的研究。經(jīng)過努力，課題組采用互易技術(shù)和激光外差技術(shù)兩種方法分別建立了我國高頻水聽器校準(zhǔn)裝置，其中高達60MHz的激光外差校準(zhǔn)能力為國際上首次開展。課題組利用激光外差技術(shù)開展的高頻水聽器校準(zhǔn)能力，頻率范圍為5 MHz～60 MHz，測量不確定度優(yōu)于16%( k=2 )，校準(zhǔn)頻率范圍及不確定度水平步入國際第一梯隊。“原理正確，方法可行，結(jié)果可靠，不確定度水平達到國際先進水平。”專家鑒定意見這樣評價道。

楊平介紹說，通過薄膜水聽器的比對，課題成果的技術(shù)水平與此方面公認技術(shù)能力最高的英國、德國“并駕齊驅(qū)”。同時，激光外差技術(shù)比英國、德國目前采用的激光零差技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：測量高頻聲壓的信息更豐富，聲壓的上限更高，各種系統(tǒng)效應(yīng)影響較小，修正帶來的不確定度較小等。此外，該技術(shù)有望為高強度聚焦超聲場中的焦點聲壓測量提供可行的技術(shù)手段。

業(yè)內(nèi)專家表示，高頻水聽器校準(zhǔn)及超聲換能器聲場形態(tài)參數(shù)測量能力的建立，將為我國醫(yī)用超聲、飛機制造、半導(dǎo)體靶材制造等產(chǎn)業(yè)提供頻率更高、量值更準(zhǔn)的測量校準(zhǔn)服務(wù)，為其設(shè)備研發(fā)、質(zhì)量控制提供更加精準(zhǔn)的技術(shù)支撐。