医用超声诊断仪主要技术指标及检定的探讨

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1、Medica l Ul t r asonic Di2St u dy on t he M a i n S pecif ica t i ons a nd Verif ict a t i on ofa gnost ic Equi pment 李 明 L i M i ng束 直径大小 有 关 ,波 束 直 径 越 细 ,能分辨的 尺 寸 就 越 小 , 横 向 分 辨 力 就 越 高 , 此 外 还 与 成 象 系 统 的 动 态 范围和显示屏的光点尺寸有关 。(1) 超 声 波 束 直 径 尺 寸 的 限 制(参看图 1)横 向分辨 力 高 。 因 此 我 认 为 规 程 中在 检 定 分 辨 力

2、时 以 一 固 定 深 度(70 mm 处 ) 的 分 辨 力 定 为 该 系 统 的 分辨力 是 不 科 学 的 , 而 应 在 不 同 深度 (近 场 、 中 场 、 远 场 或 聚 焦 场 的 波峰 、 波 谷 处 ) 分 别 进 行 检 定 , 给 出 整 个 声场不 同 位 置 的 分 辨 力 。 由 于 波 峰 、 波谷点不 便 确 认 ,实 际 检 定 中 我 们 根据现有 仿 真 模 块 的 分 辨 力 标 准靶线的 布 置 情 况 , 分 别 给 出 了 探 测 深 度 在 30 mm 处 、 70 mm 处 、 120 mm处 、 140 mm 处的分辨力值 ,得到 了 用

3、户的好评 。理论上 ,对 于 聚 焦 型 换 能 器 ,横 向 分辨力 可 按 瑞 利 准 则 来 确 定 。 由 于 超声反射系 统 是 按 “发 射 - 接 收 ” 工作模 式 工 作 , 即 换 能 器 兼 作 发 射 和接收 使 用 , 其 有 效 空 间 响 应 图 案 为 爱里分 布 曲 线 的 平 方 。 这 时 的 分辨 力比按瑞 利 准 则 求 得 的 分 辨 力 要 好 25 %左 右 , 因 此 医 用 超 声 诊 断 系 统横向分辨力 为= 1 . 22 (1 - 25 %)F/ D式 中 : 为 波 长 , F 为 系 统 的 焦 距 ,D 为换能器的孔径 。(2)

4、系 统 动 态 范 围 ( 增 益 ) 的 影 响动 态 范 围 影 响 横 向 分 辨 力 原 因在于不 同 的 动 态 范 围 , 波 束 有 效 宽 度不同 。 由于 目 标 信 号 的 动 态 范 围相 当宽 ,但 成 象 系 统 通 常 具 有 30dB的 动态范 围 。 这 意 味 着 目 标 区 域 中 的 反射 系 统 相 差 30dB 的 各 类 目 标 均 能被检 测 到 。 而 对 于 不 同 强 度 的 回波 ,波束的 有 效 宽 度 是 不 相 同 的 。 因 此检定时 一 定 要 根 据 所 观 察 的 不同位置 将 增 益 调 到 最 佳 状 态 , 使 图【 作

5、 者 简 介 】 李 明 , 男 , 学 士 , 工 程 师 。 工 作单 位 : 重 庆 市 计 量 技 术 研 究 所 。 通 讯 地 址 :400020 重 庆 市 江 北 区 建 新 北 路 三 村 17 号 。【 摘 要 】 本 文 介 绍 了 影 响 医 用 超 声 诊 断仪 主 要 技 术 指 标 的 物 理 因 数 , 以 及 如 何 控 制 这些 物 理 因 数 来 对 医 用 诊 断 超 声 源 进 行 准 确 的 计 量 检 定 。【 关 键 词 】 医 用 诊 断 超 声 源标 物 理 因 数 检 定【 收 稿 时 间 】 1999 - 04 - 05【 资 料 索 号

6、 】 A5016主 要 技 术 指医用诊 断 超 声 源 的 检 定 就 是 对表 征超声诊 断 仪 性 能 的 主 要 参 数 进 行计量 检 测 , 表 征 超 声 诊 断 仪 性 能的参数 有 声 系 统 参 数 、 图 象 特 征 参数 、 电 气 特 征 参 数 三 大 类 。 如 细 分 可分为三十多个参 数 。 根 据 JJ G638- 90 医 用 超 声 诊 断 仪 超 声 源 检 定规 程 的 规 定 , 日 常 工 作 中 , 只 对 其 中 几个重要 的 表 征 超 声 源 特 性 的 和 确 保 诊 断 安 全 的 几 个 参 数 进 行 检定 ,要 对 这 些 参

7、数 进 行 准 确 的 计 量 检 定 , 必 须 了 解 控 制 这 些 参 数 的 物理因数 , 以 便 将 超 声 诊 断 仪 调 到 最 佳检测状态 。图 1 超 声 波 束 直 径 对 横 向 分 辨 力 的 影 响图 1 ( a) 表 示 波 束 很 小 , 对 两 个 相 邻的目标容易区分 。 图 1 ( b) 表 示 波束增 大 , 对 相 邻 的 两 个 目 标 还 刚 能区分 , 此 时 即 为 超 声 源 的 横 向 分 辨 力 。 图 1 ( c) 表 示 波 束 太 大 , 不 能 区 分 , 只 能 将 它 们 当 作 一 个 目 标 的 反射波加以接收 。由 于

8、换 能 器 发 射 出 的 超 声 场 在 近场区 , 其 宽 度 大 小 大 致 等 于 换 能 器 的 直 径 ( 或 换 能 器 的 有 效 发 射 面 积 ) ,远 场 区 波 束 发 散 , 使 波 束 直 径 随传播 距 离 而 增 大 , 横 向 分 辨 力 也 随 之 下 降 。 为 了 解 决 这 一 问 题 , 先 进 的超声诊 断 仪 多 采 用 聚 集 型 换 能 器 ,且 为 多 重 弱 聚 焦 形 式 。 这 类 声 场解决 了 远 场 发 散 问 题 , 但 其 横 向 分辨力 在 其 波 峰 , 波 谷 点 上 是 不 一 样 的 ,波峰处 横 向 分 辨 力

9、低 ,波 谷 处11 分辨力分 辨 力 指 成 象 系 统 能 分 辨 空 间尺 度的能 力 。 分 为 横 向 分 辨 力 和 纵 向分辨力 。111 横 向 分 辨 力 及 控 制 横 向分辨力的物理因数横 向 分 辨 力 就 是 垂 直 于 超 声 脉 冲波束 轴 方 向 的 分 辨 力 , 即 在 与 声轴 垂直的位 置 上 能 分 辨 的 两 个 目 标 的 最小距 离 。 横 向 分 辨 力 与 超 声 波象最清 晰 , 分 辨 力 最 好 时 读 取 分 辨 面 : 降低工 作 频 率 ,但 会 降 低 分 辨 能 器 发 射 出 的 超 声 功 率 的 一 部 分 ,力值 。(

10、3) 显示屏光点直径的限制 显 示 屏 光 点 直 径 越 粗 , 分 辨 力越差 ,因此检定时应很好聚焦 。 (4) 脉冲频率的影响 随 着 深 度 的 增 加 , 声 脉 冲 频 谱中 的 各 种 频 率 成 分 的 衰 减 情 况 不 同 ,也影响横向分辨力 。力 ; 提 高 接 收 灵 敏 度 和 扩 大 动 态范 围 , 使 能 接 收 较 远 距 离 的 微 弱 的 反 射 信 号 。 然 而 这 样 做 , 最 终 要 受到 换能器 噪 声 的 限 制 。 在 一 定 频 率 下 ,信噪比达 极 限 时 ,诊 断 超 声 仪 的 最 大穿透深 度 限 制 在 300 个 波 长

11、左右 ; 加大发 射 功 率 ,但 要 考 虑 安 全 剂量的限制 。通 过 以 上 分 析 可 见 , 各 项 指 标是 相互联系 ,甚 至 相 互 制 约 ,实 际 使 用 中的超声 诊 断 仪 是 综 合 考 虑 各 项参 数并根据 不 同 用 途 约 有 侧 重 的 结 果 。 通常在满 足 各 自 的 分 辨 力 条 件 下 ,最 大 探 测 深 度 在 ( 80 180 ) cm之 间 , 检 定 中 应 合 理 调 节 诊 断 仪 的 各种控 制 参 数 , 同 时 注 意 换 能 器 与 防真模 块 窗 口 耦 合 良 好 , 以 达 到 所检测深 度 的 最 佳 观 察 效

12、果 , 从 而 准 确测出最佳分辨力 。而 不是换能 器 有 效 发 射 面 积 发 出 的全部功率 。 此 时 应 先 计 算 其 有 效 接 收面 积 A 。 以 90全 反 射 靶 直 接 测量超声 功 率 为 例 , 应 按 下 面 的 公 式 计算有效接收面积 (图 3) 。112 纵 向 分 辨 力 及 控 制 纵 向分辨力的物理因数纵 向 分 辨 力 就 是 在 超 声 波 束 轴 向 上 能 区 分 的 两 个 目 标 的 最 小 距离 。 纵向分辨力的计算公式为 : x =c/ 2 图 2 超 声 功 率 测 量 示 意 图式 中 : x 为纵 向 分 辨 力 ( mm) ,

13、 为声 脉 冲 持 续 时 间 ( ms ) , c 为 声 速( mm/ ms) 。由 于 在 给 定 媒 质 中 , 声 速 c 是 基 本恒定不 变 的 ,因 此 理 论 上 讲 ,纵向 分辨力 只 与 声 脉 冲 持 续 时 间 有 关 ,与 距 离 ( 探 测 深 度 ) 不 发 生 直 接 关 系 ,但 受 到 电 脉 冲 及 放 大 器 特性 的影响 ,当 电 脉 冲 越 窄 ,声 脉 冲 也 越窄 , 即 越 小 , 从 而 分 辨 力 也 越 高 。 所以要求 电 脉 冲 放 大 器 应 有 足够 宽的动 态 范 围 。 增 益 之 所 以 影 响 脉冲持 续 时 间 , 从

14、 而 影 响 纵 向 分 辨力 ,根 源 是 系 统 频 带 宽 度 有 限 使 脉 冲 的前沿 不 够 陡 峭 。 接 收 机 通 道 中 的射频 放 大 器 、 视 频 放 大 器 和 换 能器 的通带宽 度 都 是 决 定 系 统 频 响 的 主要因 数 , 这 也 就 是 在 检 定 纵 向 分 辨力时 , 仍 要 求 将 增 益 调 到 最 佳 状态的原因 。 此 外 还 要 求 换 能 器 的 阻 尼 好 , 即 电 脉 冲 完 后 , 声 脉 冲 即 结束 ,余振小 。31 输出超声声强图 3 有 效 接 收 面 积 计 算 示 意 图设 超 声 换 能 器 的 有 效 发 射

15、面 积 的 宽度为 b ,超声功率计 接 收 靶 的 直 径 为 R , 则 用 这 种 方 式 测 量 声 功 率 的有效接收面积 A 为 :声 强 是 指 在 声 束 截 面 上 单 位 面积 的 声 功 率 量 值 ( 单 位 : W/ cm2 或 mW/ cm2 ) 。 超声诊断仪声 剂 量 的 安 全阀值是指确 保 人 体 ( 包 括 胎 儿 ) 的超 声 诊 断 可 用 的 声 剂 量 的 最 大 值 。 根据我 国 现 有 的 标 准 , 医 用 诊 断 超声 源 其 平 均 声 强 应 小 于 10 mW/cm2 。 国 家 规 定 一 级 超 声 设 备 的 功 率测量采 用

16、 辐 射 压 力 法 , 其 最 大 的 优 点 是可以 用 标 准 砝 码 来 校 准 。 检 定 中 要求环 境 安 静 ,无 振 动 ,声 束 对 准接收靶 , 换 能 器 与 接 收 靶 之 间 传 播 媒质用 二 次 除 气 蒸 馏 水 , 以 避 免 由于衰减等影响造成测量不准 。 这 里 需 指 出 的 是 规 程 中 规 定 将测 得的超 声 功 率 值 除 以 换 能 器 的 有效 发射面 积 得 到 平 均 声 强 。 这 种 计 算 方法只 有 在 功 率 计 接 收 靶 完 全 接 收 换 能 器 发 射 出 的 超 声 波 时 才 正确 。 而实际使 用 中 的 超 声 诊 断 仪 所 配 的线阵 式 换 能 器 其 发 射 窗 口 长 度常 常 大 于 功 率 计 接 收 靶 的 直 径 ( 见 图 2) ,这 时 功 率 计 接 收 到 的 只 是 换R2 b A = 90 arcsin 2 R +