專利名稱：醫(yī)療超聲檢測方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于一種醫(yī)療超聲檢測方法和系統(tǒng)，是一種包括了醫(yī)療診斷超聲和治療超聲聲場的測量方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超聲在醫(yī)療中的應用正變得越來越重要。從其應用看，我們大致可以將醫(yī)療超聲分為診斷超聲和治療超聲兩個應用方向。
診斷超聲的應用目前已經(jīng)較為成熟，從A超(A-mode)、B超(B-mode)、C超(C-mode)到M超(M-mode)，以及采用高次諧波成像的B超，種類繁多，技術(shù)相對比較成熟。最近幾年，治療超聲在超聲聚焦刀、超聲碎石方面陸續(xù)有了突破，在臨床應用方面得到了大發(fā)展，特別是超聲聚焦刀(即高強聚焦超聲High Intensity Focal Ultrasound(HIFU))在中國有著領先世界的發(fā)展，具有非常大的應用前景。然而，同醫(yī)療超聲的廣泛應用相比較，其發(fā)展的制約因素也同樣明顯地表現(xiàn)出來。
醫(yī)療超聲的應用，是一種對超聲聲場的精確應用，從理論上說，這種應用首先要對醫(yī)療超聲聲場有著完整準確的描述和測量才行。但是，由于超聲測量的特殊性和人體組織結(jié)構(gòu)的復雜性，導致了對人體中超聲聲場的精確描述和測量都極其困難。因此，對醫(yī)療超聲的應用是走了一條先應用的道路。即在有了大致的聲場描述條件下，先進行超聲應用，取得動物實驗和臨床應用的醫(yī)療經(jīng)驗，用作以后的指導。而對困難的聲場精確描述和測量，留作以后再解決。
在這樣的情況下，醫(yī)療超聲的醫(yī)學應用就走在了前面，并且取得了令世人注目的成績，其診斷和治療效果得到醫(yī)學界的廣泛認同。然而，在我們已經(jīng)確定了醫(yī)療超聲功效的情況下，對其聲學測量依然處在不成熟、不完善的階段，已經(jīng)遠遠不能同醫(yī)療超聲的成功應用相比，可以說，在醫(yī)療超聲的應用方面，醫(yī)學家所做的貢獻要大于聲學家。如以前的聲場空間測量采用螺桿驅(qū)動空間掃瞄方式，其精度和測量范圍受限，遠達不到IEC標準的要求。
然而，在電子技術(shù)和計算機技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，聲學測量如果能同最新的技術(shù)相結(jié)合，我們認為是完全有可能突破原有的測量局限，以達到初步滿足醫(yī)學臨床應用的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種醫(yī)療超聲檢測方法和測量系統(tǒng)，是實現(xiàn)醫(yī)療診斷超聲和治療超聲聲場的統(tǒng)一測量方法和系統(tǒng)。本測量系統(tǒng)是基于現(xiàn)代測量技術(shù)、計算機數(shù)字化技術(shù)和最新的超聲測量手段所構(gòu)建本發(fā)明的；并考慮到今后超聲測量技術(shù)的可能發(fā)展方向，提出了現(xiàn)代醫(yī)療超聲測量的解決方案，能夠比較完善地解決醫(yī)療超聲應用中超聲測量方法和測量系統(tǒng)的相對滯后。同時滿足診斷超聲和治療超聲的聲功率和聲場特性測量的標準。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是醫(yī)療超聲檢測方法，在水槽中利用水聽器進行測量，對空間聲場分布和時間聲場分布的測量進行聲參量的檢測，通過一個三維空間精確掃描系統(tǒng)，用以完整測量醫(yī)療超聲聲場(聲壓)的空間和時間分布；三維空間精確掃描系統(tǒng)采用三坐標機的基本測量，實現(xiàn)空間聲場的測量；三坐標機采用設于全花崗巖固態(tài)結(jié)構(gòu)中進行測量，且三坐標測量裝置采用全氣浮式隔振，阻隔通常的振動干擾；全氣浮式隔振設在高精度的三坐標機氣浮導軌上進行三坐標空間測量。
三坐標機本身設有光柵尺結(jié)構(gòu)對位置確定。
本發(fā)明采用獨立的聲信號發(fā)射與接收結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，聲信號發(fā)射采用超聲發(fā)射探頭，接收采用水聽器，自身具有高精度的自校正光柵結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)在高測量精度條件(全程10微米)下超大的測量范圍(達到橫向1000毫米，縱向1200毫米，垂直600毫米)。聲發(fā)射支架設有獨特的大范圍俯仰角和左右擺動角的調(diào)整。聲信號接收結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用獨立的水聽器支架，以保證可以適用于不同類型和尺寸水聽器。
對聲功率測量，實現(xiàn)了所測量的超聲功率測量范圍從毫瓦級的診斷超聲到五百瓦的功率超聲，聲功率的絕對測量是基于IEC及國標所規(guī)定的天平測量法；采用自記天平記錄與聲靶懸掛系統(tǒng)，避免了聲波不穩(wěn)定所帶來的天平不平衡誤差；獨特的聲靶懸掛系統(tǒng)，平衡穩(wěn)定聲靶。高潔凈的足金反射靶面，具有高度的抗銹蝕能力。適合的高精度聲吸收比率，在針對治療超聲大聲功率條件下避免聲靶在測量過程中的損壞。專門設計的高精度自動記錄天平及聲靶系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實時動態(tài)地記錄聲功率及其變化和波動，并自動進行數(shù)據(jù)的二次處理。
本系統(tǒng)所使用的水聽器及超聲探頭形狀各異，制造工藝不同，其聲輻射或接收的對稱性也不盡完善，因此設計測量支架具備靈活方位調(diào)整能力。
本測量系統(tǒng)具有以下幾個創(chuàng)新點a)將種類繁多的各種超聲診斷及治療設備中關(guān)于聲參量的檢測，歸結(jié)為空間聲場分布和時間聲場分布的測量，極大地簡化了測量系統(tǒng)構(gòu)成。
b)通過軟件實現(xiàn)了將基本的空間和時間聲壓聲場分布轉(zhuǎn)換成相關(guān)IEC標準和國標中的具體聲參數(shù)。
c)二次開發(fā)系統(tǒng)采用基于LabView系統(tǒng)，具有極大的可擴展性，符合現(xiàn)代電子測量系統(tǒng)的設計發(fā)展趨勢。
d)提出可以將醫(yī)療超聲的測量分為兩個組成部分，一是醫(yī)療超聲聲場測量系統(tǒng)，即建立一個三維空間精確掃描系統(tǒng)，用以完整測量醫(yī)療超聲聲場(聲壓)的空間和時間分布。二是聲功率測量系統(tǒng)，即建立計量意義上的聲功率測量。
基于以上的測量原則，我們根據(jù)IEC及國家標準的要求，并且充分利用目前測量技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)采集處理發(fā)展所能達到的水平，提出了我們的系統(tǒng)設計構(gòu)成。
首次應用了高精度的氣浮式空間測量技術(shù)，極大地改進原來螺桿驅(qū)動空間掃瞄方式的精度和測量范圍。
本發(fā)明首次采用高速數(shù)字采樣技術(shù)，基本實現(xiàn)了醫(yī)療超聲的常用工作頻率范圍，本系統(tǒng)實現(xiàn)了全程最高工作頻率達到15MHz，局部可達30MHz的能力。
本系統(tǒng)首次提出將測量系統(tǒng)與超聲發(fā)射和探測相對分離的方案，可有效地針對不同醫(yī)療超聲設備進行完善地測量，并可根據(jù)超聲檢測技術(shù)的發(fā)展而更新本系統(tǒng)的空間聲場測量精度。
本發(fā)明特點是1、本發(fā)明醫(yī)療超聲檢測系統(tǒng)是機電一體化的集成醫(yī)療專用測量檢定系統(tǒng)，它同時適用于符合IEC及國標對醫(yī)療診斷超聲和治療超聲的檢測要求。涵蓋了極大的聲功率測量范圍(從毫瓦級的診斷超聲到五百瓦的功率超聲)。
2、本發(fā)明首次應用了高精度的氣浮式空間測量技術(shù)，極大地改進原來螺桿驅(qū)動空間掃瞄方式的精度和測量范圍。
3、本發(fā)明首次采用高速數(shù)字采樣技術(shù)，基本實現(xiàn)了醫(yī)療超聲的常用工作頻率范圍，本系統(tǒng)實現(xiàn)了全程最高工作頻率達到15MHz，局部可達30MHz的能力。
4、本系統(tǒng)首次提出將測量系統(tǒng)與超聲發(fā)射和探測相對分離的方案，可有效地針對不同醫(yī)療超聲設備進行完善地測量，并可根據(jù)超聲檢測技術(shù)的發(fā)展而更新本系統(tǒng)的空間聲場測量精度。
5、本系統(tǒng)首次提出并實現(xiàn)了將醫(yī)療超聲繁多的檢測參數(shù)歸納為軟件分析，從而將硬件的相對穩(wěn)定性和軟件的及時更新有機地結(jié)合。
6、獨立的絕對聲功率校正系統(tǒng)可實現(xiàn)聲功率的絕對測量。
7、系統(tǒng)首次提出并實現(xiàn)了將醫(yī)療超聲繁多的檢測參數(shù)歸納為軟件分析，從而將硬件的相對穩(wěn)定性和軟件的及時更新有機地結(jié)合。獨立的絕對聲功率校正系統(tǒng)可實現(xiàn)聲功率的絕對測量。
本測量系統(tǒng)基本符合IEC(國際電工委員會)以下標準8、IEC61157-1992對醫(yī)療超聲波診斷設備聲輸出標示的要求)9、IEC60601-2-37AMD1-2004(醫(yī)用電氣設備.第2-37部分超聲波醫(yī)療診斷和監(jiān)控設備的安全的特殊要求.修改件1)10、IEC 60601-2-37AMD 2-2005(醫(yī)用電氣設備.第2-37部分超聲醫(yī)療診斷和監(jiān)護設備安全性的特殊要求.修改件2)以及以下的中華人民共和國國家相關(guān)標準11、GB 16846-1997醫(yī)用超聲診斷設備聲輸出公布要求12、GB/T 16540-1996 聲學 在0.5～15MHz頻率范圍內(nèi)的超聲場特性及其測量水 聽器法13、GB/T 7966-1987 聲學 0.5～10MHz頻率范圍內(nèi)超聲聲功率的測量14、GB/T 19890-2005 聲學 高強度聚焦超聲(HIFU)聲功率和聲場特性的測量四、


圖1是支架結(jié)構(gòu)示意圖，其中聲發(fā)射支架，設有可調(diào)整的大范圍俯仰角和左右擺動角圖3是本發(fā)明本醫(yī)療超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理2是本發(fā)明測量程序流程圖。
五、具體實現(xiàn)方式第一部分(硬件)超聲聲場測量系統(tǒng)，按照IEC及國標的要求，其核心的測量參數(shù)有①系統(tǒng)的空間位置測量誤差D。②系統(tǒng)的空間測量范圍X×Y×Z。
圖1說明了支架結(jié)構(gòu)、具有聲發(fā)射支架，換能器在支架上設有俯仰角和左右擺動角的調(diào)整軸。圖2說明了醫(yī)療超聲檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在水槽中設有水聽器進行測量，水聽器聲探頭或接收聲靶設有三坐標機上，三坐標機采用具有高度溫度穩(wěn)定性和極小形變的全花崗巖固態(tài)結(jié)構(gòu)中，三坐標測量裝置采用全氣浮式隔振，阻隔通常的振動干擾。全氣浮式隔振設在高精度的氣浮導軌上進行三坐標空間測量。
對聲場的空間測量精度誤差，須小于在系統(tǒng)最高工作頻率時波長λ的十分之一，即D≤λ10=c10f]]>我們設計本系統(tǒng)的最高工作頻率為15MHZ，即對應的水中最大位置測量誤差不劣于10μm。
對空間測量范圍，能全面地反映聲場的分布，對診斷超聲的掃描范圍，聚焦超聲的焦域及旁瓣的分布等，所要求的測量范圍不盡相同。我們從測量技術(shù)的角度看，在目前的空間測量能力上，選擇測量范圍為縱向水平方向X＝1200mm，橫向水平方向Y＝1000mm，垂直方向Z＝600mm，是一個性價比比較合理的選擇。這個測量范圍要遠大于國標(報批稿)所提出的要求。
水聽器的選擇是本系統(tǒng)另一個關(guān)鍵因素，我們根據(jù)水聽器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，將作為聲信號采集的水聽器與空間測量系統(tǒng)相對獨立，以保證在水聽器技術(shù)更新后，本系統(tǒng)依然有效。
由于本系統(tǒng)所使用的水聽器及超聲探頭形狀各異，制造工藝不同，其聲輻射或接收的對稱性也不盡完善，因此必須要求測量支架具備靈活方位調(diào)整能力，這也是目前國外同類設備沒有考慮到的因素。
對高頻聲信號的數(shù)字化工作，在這幾年得到了迅速的發(fā)展。可以說，從目前的技術(shù)上看，對MHz頻段的數(shù)字化技術(shù)，已經(jīng)基本成熟普及，國外對此技術(shù)的封鎖也大大減小。因此目前是超聲MHz頻段測量的數(shù)字化及計算機處理最佳應用時期。
當然，由于超聲測量對相關(guān)測量環(huán)境(如溫度、濕度、振動)的要求較高，特別在高聲強條件下，由于空化的作用，水的除氣處理是必須的，這些都是我們在測量要考慮的細節(jié)問題。
第二部分(硬件)聲功率的測量。IEC及國標定是以聲輻射壓力的天平法測量作為標準，所以天平傳感技術(shù)的應用仍然是關(guān)鍵。利用電磁感應的自記天平在測量范圍、測量精度、平衡時間、測量結(jié)果的計算機處理方面均有較大發(fā)展，可以使我們以高精度完成大部分功率范圍的測量。
第三部分(軟件)對所測量的診斷超聲和治療超聲聲參數(shù)定義及實現(xiàn)如下(注所有聲參數(shù)的定義均與IEC及國標一致)測量程序流程圖3示1、診斷超聲測量參數(shù)按照IEC及國標的要求，進行以下診斷超聲參數(shù)的測量。首先，通過對診斷超聲輻射聲場的整體掃瞄，可以得到其完整的空間聲場分布。然后確定以下參數(shù)a)正峰值聲壓和負峰值聲壓通過聲場掃瞄，確定正峰值聲壓和負峰值聲壓的大小和位置。
b)脈沖聲壓在指定位置測量其脈沖聲壓值。
c)空間峰值脈沖聲壓通過聲場掃瞄，確定空間峰值脈沖聲壓的位置。
d)空間峰值均方根聲壓通過聲場掃瞄，確定空間峰值均方根聲壓的位置。
e)聲束平均脈沖聲壓通過聲場掃瞄，確定對聲束面積有貢獻的點的脈沖聲壓，并確定所有測量值的平均值為波束平均脈沖聲壓。
f)聲束平均均方根聲壓同上，只是用均方根替代脈沖。
g)空間平均均方根聲壓對掃瞄面積進行均方根聲壓的空間平均。
h)非線性傳播參數(shù)計算非線性傳播參數(shù)σm，并作判定。
i)導出聲強參數(shù)根據(jù)下面公式，計算出聲強值，I(t)=p(t)2ρc]]>并可以導出以下聲強參數(shù)空間峰值時間峰值聲強、空間峰值時間平均聲強、空間峰值脈沖平均聲強。
并可分別確定下列聲束平均和空間平均聲強參數(shù)聲束平均脈沖平均聲強(Ibapa)、聲束平均時間平均聲強(Ibata)、空間平均脈沖平均聲強(Isapa)、空間平均時間平均聲強(Isata)j)導出脈沖聲強積分參數(shù)可以導出空間峰值脈沖聲強積分。
k)連續(xù)波聲功率測量在小振幅平面超聲聲場中，聲輻射壓力與超聲換能器所輻射的總功率之間關(guān)系為W=cF2cos2θ]]>測量不確定度不大于±10％。
l)治療超聲測量參數(shù)首先，通過對治療超聲的聚焦輻射聲場的整體掃瞄，可以得到其完整的空間聲場分布。
a)3dB焦域形態(tài)及大小測量得到其3dB焦域形態(tài)及大小空間聲壓分布。
b)焦距對聚焦聲場，測量其焦距。
c)導出聲強導出其空間聲強的分布。
d)焦點處聲功率測量焦點處的聲功率。
權(quán)利要求
1.醫(yī)療超聲檢測方法，在水槽中利用水聽器進行測量，其特征是對空間聲場分布和時間聲場分布的測量進行聲參量的檢測，通過一個三維空間精確掃描系統(tǒng)，用以完整測量醫(yī)療超聲聲場(聲壓)的空間和時間分布；三維空間精確掃描系統(tǒng)采用三坐標機的基本測量，實現(xiàn)空間聲場的測量；三坐標機采用設于全花崗巖固態(tài)結(jié)構(gòu)中進行測量，且三坐標測量裝置采用全氣浮式隔振，阻隔通常的振動干擾；全氣浮式隔振設在高精度的三坐標機氣浮導軌上進行三坐標空間測量。
2.由權(quán)利要求1所述的醫(yī)療超聲檢測方法，其特征是采用獨立的聲信號發(fā)射與接收結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，聲信號發(fā)射采用超聲發(fā)射探頭，接收采用水聽器，自身具有高精度的自校正光柵結(jié)構(gòu)。
3.由權(quán)利要求1所述的醫(yī)療超聲檢測方法，其特征是聲發(fā)射支架設有大范圍俯仰角和左右擺動角的調(diào)整軸。
4.由權(quán)利要求1所述的醫(yī)療超聲檢測方法，其特征是最高工作頻率為15MHZ，即對應的水中最大位置測量誤差不劣于10μm。
5.由權(quán)利要求1所述的醫(yī)療超聲檢測方法，其特征是以聲輻射壓力的天平法測量作為聲功率的絕對測量標準，利用電磁感應的自記天平在測量范圍、測量精度、平衡時間、測量聲輻射壓力結(jié)果；聲場掃描過程將基本的空間和時間聲壓聲場分布轉(zhuǎn)換成相關(guān)標準中的聲參數(shù)。
6.由權(quán)利要求1所述的醫(yī)療超聲檢測方法，其特征是采用獨立的絕對聲功率校正系統(tǒng)可實現(xiàn)聲功率的絕對測量。
7.由權(quán)利要求1所述的醫(yī)療超聲檢測方法，其特征是聲功率測量采用從毫瓦級的診斷超聲到五百瓦的功率超聲的聲功率絕對測量，其方法是基于IEC及國標所規(guī)定的天平測量法。
8.醫(yī)療超聲檢測裝置，水槽中設有水聽器進行測量的裝置，其特征是水聽器設在三坐標機上，三坐標機設在全花崗巖固態(tài)結(jié)構(gòu)中，且三坐標機測量裝置采用全氣浮式隔振結(jié)構(gòu)，全氣浮式隔振設在高精度的氣浮導軌上進行三坐標空間測量。
9.由權(quán)利要求1所述的醫(yī)療超聲檢測裝置，其特征是設有聲發(fā)射或同時聲接收的支架，換能器在支架上設有俯仰角和左右擺動角的調(diào)整軸。
10.由權(quán)利要求1所述的醫(yī)療超聲檢測裝置，其特征是采用獨立的聲信號發(fā)射與接收結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，自身設有高精度的自校正光柵結(jié)構(gòu)。設有聲靶懸掛系統(tǒng)，平衡穩(wěn)定聲靶。高潔凈的足金反射靶面。
全文摘要
醫(yī)療超聲檢測方法，在水槽中利用水聽器進行測量，對空間聲場分布和時間聲場分布的測量進行聲參量的檢測，通過一個三維空間精確掃描系統(tǒng)，用以完整測量醫(yī)療超聲聲場(聲壓)的空間和時間分布；三維空間精確掃描系統(tǒng)采用三坐標機的基本測量，實現(xiàn)空間聲場的測量；三坐標機采用設于全花崗巖固態(tài)結(jié)構(gòu)中進行測量，且三坐標測量裝置采用全氣浮式隔振，阻隔通常的振動干擾；全氣浮式隔振設在高精度的三坐標機氣浮導軌上進行三坐標空間測量。
文檔編號A61B8/14GK1883399SQ20061008828
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者許堅毅, 張海新 申請人:南京大學