基于红外测温的高强度聚焦超声声场测量方法

摘要

本发明涉及一种基于红外测温的高强度聚焦超声声场测量方法，包括：第一步，水听器测量聚焦超声声源的声强值；第二步，放置超声吸收物，水听器再次测量声强值，将第二步中获得的声强值与第一步获得的声强值进行比较，得到的衰减物理量值；第三步，通过红外测温仪测量超声吸收物在聚焦超声声源设定时间照射后在表面形成的温升，通过计算求取表面温升的最大温升率，得到超声吸收物的声热参数综合特征值；第四步，通过使用红外测温仪测量在不同位置下超声吸收物表面的温升求取对应的最大温升率，将此最大温升率与衰减物理量值和声热参数综合特征值进行运算得到相对应不同位置的声强分布。与现有技术相比，本发明具有实现对HIFU声场三维快速测量等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度聚焦超声声场测量方法，尤其是涉及一种基于红外测 温的高强度聚焦超声声场测量方法。

背景技术

高强度聚焦超声三维声场分布是衡量HIFU治疗探头设计与制造工艺、治疗效 果好坏的关键因素，也是衡量设备安全高效的重要指标，此外，HIFU三维声场分 布也对治疗计划的制定有着重要的参考意义，所以高强度聚焦超声声场的测量是 HIFU研究领域中的一个重要环节。

自上世纪90年代以来，国际电工学会(IEC)在超声声场参数测量方面制定 了大量的标准，但是由于聚焦超声声场具有如下特点：

焦点体积通常很小(呈米粒状，横截面直径约1～3mm，声束轴长度约8～15 mm)；

焦域的最大声强≥10000Wcm^-2；

声压超过10Mpa；

非线性谐波、声饱和。

鉴于高强度聚焦超声声场的复杂性，在2005年之前，HIFU声场检测标准的 制定都在讨论中。2005年9月，我国国家标准化管理委员会批准发布了《高强度 聚焦超声(HIFU)声功率和声场特性的测量》国家标准(GB/T 19890)，并从2006年 4月1日起实施，成为世界上首个HIFU测量标准。此外，2005年12月7日， 国家武汉医用超声设备检测中心起草的《高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统》行 业标准(YY0592-2005)由国家药监局批准发布，自2006年12月1日起实施。

目前已有的关于聚焦声场特性和超声功率测量标准的基本思想和做法是：在 小功率条件下(全功率输出的10％～20％)，用水听器三维扫描法找到声压焦点位 置，对聚焦声场进行扫描测量，并计算出焦点的几何参数；用水听器或辐射力法测 量超声功率，再按照相关公式求出最大声强。

这些标准和方法的主要存在以下问题：

1、获取聚焦声场三维特征值的过程十分耗时；

2、焦域的声强能量过大，容易导致水听器的损坏；

3、换能器辐射面各点振动相位若不全一致，则焦点处声强不一定正比于声压 平方；

4、HIFU设备在全功率输出时，超声在水中或组织中传播时会产生非线性和 衍射效应，而非线性累积在水中和组织中是不同的，所以不能用水中测量得到的声 场分布直接反映组织中的情况。

5、由于有限振幅波在传播过程中会产生波形畸变，滋生谐波、声衰减、声饱 和等非线性现象，通过外插办法来推测HIFU声场的方法得到的结果并不理想。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于红外测 温的高强度聚焦超声声场测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于红外测温的高强度聚焦超声声场测量方法，其特征在于，通过使用红 外测温法测量置于超声声场内的超声吸收物表面温度分布，实现测量超声声场分 布，具体包括以下步骤：

第一步，通过校准过的水听器测量聚焦超声声源在焦点位置的声强值；

第二步，在水听器和超声声源之间放置超声吸收物，水听器再次测量聚焦超声 声源在经过超声吸收物后的声强值，将第二步中获得的声强值与第一步获得的声强 值进行比较，得到超声吸收物对超声声源的衰减物理量值；

第三步，将超声吸收物的上表面平移至焦平面位置，通过红外测温仪测量超声 吸收物在聚焦超声声源设定时间照射后在表面形成的温升，通过计算求取表面温升 的最大温升率，并将这个温升率与第二步中获得的声强值进行运算得到超声吸收物 的声热参数综合特征值；

第四步，将超声吸收物在超声声场范围内沿着声束轴的方向平行移动，通过使 用红外测温仪测量在不同位置下超声吸收物表面的温升求取对应的最大温升率，将 此最大温升率与第二步得到的衰减物理量值和第三步得到的声热参数综合特征值 进行运算得到相对应不同位置的声强分布。

所述的超声吸收物与水听器之间距离为1～5mm。

所述的超声吸收物对超声声源的衰减物理量值计算如下： F_Amplify＝1/F_Attenuation＝I₀/I₁，其中F_Attenuation为超声吸收物对超声声源的衰减物理量值， F_Amplify为F_Attenuation的倒数，I₀和I₁分别为第一步和第二步测量到的焦点位置声强值。

所述的最大温升率的计算如下：TCR0_max＝max(ΔT₀/Δt)，TCR1_max＝max(ΔT₁/Δt)，其中， TCR0_max是低驱动电压下得到的超声吸收物表面的最大温升率，用于求取超声吸收 物声热参数综合特征值；TCR1_max是高驱动电压下得到的超声吸收物表面的最大温 升率，用于求取超声声场中对应水平面的超声声强值，Δt为间隔时间；ΔT₀为在低 驱动电压下超声吸收物表面在间隔时间内的温度变化；ΔT₁为高驱动电压下超声吸 收物表面在间隔时间内的温度变化。

所述的声热参数综合特征值的计算如下：M_Transform＝I₁/TCR0_max，其中M_Transform为 表征超声吸收物的声热参数综合特征值，I₁为测量第二步测量到的焦点位置声强 值，TCR0_max是低驱动电压下得到的超声吸收物表面的最大温升率。

所述的将此最大温升率与第二步得到的衰减物理量值和第三步得到的声热参 数综合特征值进行运算具体为：I_Estimate＝F_Amplify×M_Transform×TCR1_max，其中I_Estimate为超声声 场声强值；F_Amplify为表征超声吸收物对超声声源的衰减物理量；M_Transform为表征超 声吸收物的声热参数综合特征值；TCR1_max是高驱动电压下得到的超声吸收物表面 的最大温升率。

与现有技术相比，本发明具有根据超声声场在被测物中的声场三维分布和利 用能量热传导方程求解出的三维温度场分布，通过使用红外测温技术快速测量被测 物表面温度，以实现对HIFU声场三维快速可视化测量。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明实现的硬件结构示意图；

图3为本发明构建的软件系统功能模块图。

其中图1、图2，1为水听器，2为红外测温仪，3为超声吸收物，4为超声探 头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、图2所示，一种基于红外测温的高强度聚焦超声声场测量方法，通过 使用红外测温法测量置于超声声场内的超声吸收物表面温度分布，实现测量超声声 场分布，具体包括以下步骤：

第一步，通过校准过的水听器1测量聚焦超声声源在焦点位置的声强值；

第二步，在水听器1和超声声源之间放置超声吸收物3，所述的超声吸收物3 与水听器1之间距离为1～5mm，水听器1再次测量聚焦超声声源在经过超声吸收 物3后的声强值，将第二步中获得的声强值与第一步获得的声强值进行比较，得到 超声吸收物3对超声声源的衰减物理量值；

第三步，将超声吸收物3的上表面平移至焦平面位置，通过红外测温仪2测量 超声吸收物3在聚焦超声声源设定时间照射后在表面形成的温升，通过计算求取表 面温升的最大温升率，并将这个温升率与第二步中获得的声强值进行运算得到超声 吸收物3的声热参数综合特征值；

第四步，将超声吸收物3在超声声场范围内沿着声束轴的方向平行移动，通过 使用红外测温仪2测量在不同位置下超声吸收物3表面的温升求取对应的最大温升 率，将此最大温升率与第二步得到的衰减物理量值和第三步得到的声热参数综合特 征值进行运算得到相对应不同位置的声强分布。