專利名稱：基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，尤其是涉及一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)度聚焦超聲三維聲場分布是衡量HIFU治療探頭設(shè)計與制造工藝、治療效果好壞的關(guān)鍵因素，也是衡量設(shè)備安全高效的重要指標(biāo)，此外，HIFU三維聲場分布也對治療計劃的制定有著重要的參考意義，所以高強(qiáng)度聚焦超聲聲場的測量是HIFU研究領(lǐng)域中的一個重要環(huán)節(jié)。
自上世紀(jì)90年代以來，國際電工學(xué)會(IEC)在超聲聲場參數(shù)測量方面制定了大量的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于聚焦超聲聲場具有如下特點
焦點體積通常很小(呈米粒狀，橫截面直徑約1 3mm，聲束軸長度約8 15mm)；
焦域的最大聲強(qiáng)彡IOOOOffcm"2 ；
聲壓超過IOMpa ；
非線性諧波、聲飽和。
鑒于高強(qiáng)度聚焦超聲聲場的復(fù)雜性，在2005年之前，HIFU聲場檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定都在討論中。2005年9月，我國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布了《高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU) 聲功率和聲場特性的測量》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 19890)，并從2006年4月1日起實施，成為世界上首個HIFU測量標(biāo)準(zhǔn)。此外，2005年12月7日，國家武漢醫(yī)用超聲設(shè)備檢測中心起草的《高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)治療系統(tǒng)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YY0592-20(^)由國家藥監(jiān)局批準(zhǔn)發(fā)布， 自2006年12月1日起實施。
目前已有的關(guān)于聚焦聲場特性和超聲功率測量標(biāo)準(zhǔn)的基本思想和做法是在小功率條件下(全功率輸出的10% 20%)，用水聽器三維掃描法找到聲壓焦點位置，對聚焦聲場進(jìn)行掃描測量，并計算出焦點的幾何參數(shù)；用水聽器或輻射力法測量超聲功率，再按照相關(guān)公式求出最大聲強(qiáng)。
這些標(biāo)準(zhǔn)和方法的主要存在以下問題
1、獲取聚焦聲場三維特征值的過程十分耗時；
2、焦域的聲強(qiáng)能量過大，容易導(dǎo)致水聽器的損壞；
3、換能器輻射面各點振動相位若不全一致，則焦點處聲強(qiáng)不一定正比于聲壓平方；
4、HIFU設(shè)備在全功率輸出時，超聲在水中或組織中傳播時會產(chǎn)生非線性和衍射效應(yīng)，而非線性累積在水中和組織中是不同的，所以不能用水中測量得到的聲場分布直接反映組織中的情況。
5、由于有限振幅波在傳播過程中會產(chǎn)生波形畸變，滋生諧波、聲衰減、聲飽和等非線性現(xiàn)象，通過外插辦法來推測HIFU聲場的方法得到的結(jié)果并不理想。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，其特征在于，通過使用紅外測溫法測量置于超聲聲場內(nèi)的超聲吸收物表面溫度分布，實現(xiàn)測量超聲聲場分布，具體包括以下步驟
第一步，通過校準(zhǔn)過的水聽器測量聚焦超聲聲源在焦點位置的聲強(qiáng)值；
第二步，在水聽器和超聲聲源之間放置超聲吸收物，水聽器再次測量聚焦超聲聲源在經(jīng)過超聲吸收物后的聲強(qiáng)值，將第二步中獲得的聲強(qiáng)值與第一步獲得的聲強(qiáng)值進(jìn)行比較，得到超聲吸收物對超聲聲源的衰減物理量值；
第三步，將超聲吸收物的上表面平移至焦平面位置，通過紅外測溫儀測量超聲吸收物在聚焦超聲聲源設(shè)定時間照射后在表面形成的溫升，通過計算求取表面溫升的最大溫升率，并將這個溫升率與第二步中獲得的聲強(qiáng)值進(jìn)行運算得到超聲吸收物的聲熱參數(shù)綜合特征值；
第四步，將超聲吸收物在超聲聲場范圍內(nèi)沿著聲束軸的方向平行移動，通過使用紅外測溫儀測量在不同位置下超聲吸收物表面的溫升求取對應(yīng)的最大溫升率，將此最大溫升率與第二步得到的衰減物理量值和第三步得到的聲熱參數(shù)綜合特征值進(jìn)行運算得到相對應(yīng)不同位置的聲強(qiáng)分布。
所述的超聲吸收物與水聽器之間距離為1 5mm。
所述的超聲吸收物對超聲聲源的衰減物理量值計算如下FAmplify = l/FAttenuation =I0A1，其中 1 Attenuation為超聲吸收物對超聲聲源的衰減物理量值，F(xiàn)Amplify 乂J 1 Attenuation 的倒數(shù)，Itl和I1分別為第一步和第二步測量到的焦點位置聲強(qiáng)值。
所述的最大溫升率的計算如下TCR0max= max ( Δ Ttl/At)，TCRlmax = max (Δ T1/ At)，其中，TCROmax是低驅(qū)動電壓下得到的超聲吸收物表面的最大溫升率，用于求取超聲吸收物聲熱參數(shù)綜合特征值；TCRlmax是高驅(qū)動電壓下得到的超聲吸收物表面的最大溫升率， 用于求取超聲聲場中對應(yīng)水平面的超聲聲強(qiáng)值，At為間隔時間；ATtl為在低驅(qū)動電壓下超聲吸收物表面在間隔時間內(nèi)的溫度變化；Δ \為高驅(qū)動電壓下超聲吸收物表面在間隔時間內(nèi)的溫度變化。
所述的聲熱參數(shù)綜合特征值的計算如下Mftansf。
= I1ZtCROmax，其中Mftansfmi為表征超聲吸收物的聲熱參數(shù)綜合特征值，I1為測量第二步測量到的焦點位置聲強(qiáng)值，TCROmax 是低驅(qū)動電壓下得到的超聲吸收物表面的最大溫升率。
所述的將此最大溫升率與第二步得到的衰減物理量值和第三步得到的聲熱參數(shù)綜合特征值進(jìn)行運算具體為1 Estimate ^AmplifyX Mlransform X TCRl腿x,其中 IEstimate 為超聲聲場聲強(qiáng)值；FAmplify為表征超聲吸收物對超聲聲源的衰減物理量;MTMnsf。M為表征超聲吸收物的聲熱參數(shù)綜合特征值；TCRlmax是高驅(qū)動電壓下得到的超聲吸收物表面的最大溫升率。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有根據(jù)超聲聲場在被測物中的聲場三維分布和利用能量熱傳導(dǎo)方程求解出的三維溫度場分布，通過使用紅外測溫技術(shù)快速測量被測物表面溫度，以實現(xiàn)對HIFU聲場三維快速可視化測量。


圖1為本發(fā)明的流程示意圖2為本發(fā)明實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明構(gòu)建的軟件系統(tǒng)功能模塊圖。
其中圖1、圖2，1為水聽器，2為紅外測溫儀，3為超聲吸收物，4為超聲探頭。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實施例
如圖1、圖2所示，一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，通過使用紅外測溫法測量置于超聲聲場內(nèi)的超聲吸收物表面溫度分布，實現(xiàn)測量超聲聲場分布，具體包括以下步驟
第一步，通過校準(zhǔn)過的水聽器1測量聚焦超聲聲源在焦點位置的聲強(qiáng)值；
第二步，在水聽器1和超聲聲源之間放置超聲吸收物3，所述的超聲吸收物3與水聽器1之間距離為1 5mm，水聽器1再次測量聚焦超聲聲源在經(jīng)過超聲吸收物3后的聲強(qiáng)值，將第二步中獲得的聲強(qiáng)值與第一步獲得的聲強(qiáng)值進(jìn)行比較，得到超聲吸收物3對超聲聲源的衰減物理量值；
第三步，將超聲吸收物3的上表面平移至焦平面位置，通過紅外測溫儀2測量超聲吸收物3在聚焦超聲聲源設(shè)定時間照射后在表面形成的溫升，通過計算求取表面溫升的最大溫升率，并將這個溫升率與第二步中獲得的聲強(qiáng)值進(jìn)行運算得到超聲吸收物3的聲熱參數(shù)綜合特征值；
第四步，將超聲吸收物3在超聲聲場范圍內(nèi)沿著聲束軸的方向平行移動，通過使用紅外測溫儀2測量在不同位置下超聲吸收物3表面的溫升求取對應(yīng)的最大溫升率，將此最大溫升率與第二步得到的衰減物理量值和第三步得到的聲熱參數(shù)綜合特征值進(jìn)行運算得到相對應(yīng)不同位置的聲強(qiáng)分布。
權(quán)利要求
1.一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，其特征在于，通過使用紅外測溫法測量置于超聲聲場內(nèi)的超聲吸收物表面溫度分布，實現(xiàn)測量超聲聲場分布，具體包括以下步驟第一步，通過校準(zhǔn)過的水聽器測量聚焦超聲聲源在焦點位置的聲強(qiáng)值； 第二步，在水聽器和超聲聲源之間放置超聲吸收物，水聽器再次測量聚焦超聲聲源在經(jīng)過超聲吸收物后的聲強(qiáng)值，將第二步中獲得的聲強(qiáng)值與第一步獲得的聲強(qiáng)值進(jìn)行比較， 得到超聲吸收物對超聲聲源的衰減物理量值；第三步，將超聲吸收物的上表面平移至焦平面位置，通過紅外測溫儀測量超聲吸收物在聚焦超聲聲源設(shè)定時間照射后在表面形成的溫升，通過計算求取表面溫升的最大溫升率，并將這個溫升率與第二步中獲得的聲強(qiáng)值進(jìn)行運算得到超聲吸收物的聲熱參數(shù)綜合特征值；第四步，將超聲吸收物在超聲聲場范圍內(nèi)沿著聲束軸的方向平行移動，通過使用紅外測溫儀測量在不同位置下超聲吸收物表面的溫升求取對應(yīng)的最大溫升率，將此最大溫升率與第二步得到的衰減物理量值和第三步得到的聲熱參數(shù)綜合特征值進(jìn)行運算得到相對應(yīng)不同位置的聲強(qiáng)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，其特征在于，所述的超聲吸收物與水聽器之間距離為1 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，其特征在于，所述的超聲吸收物對超聲聲源的衰減物理量值計算如下FAmplify = l/FAttenuation = I0/I1，其中 1 Attenuation 為超聲吸收物對超聲聲源的衰減物理量值， 1 Amplify 乂J 1 Attenuation 的倒數(shù)，I0和I1分別為第一步和第二步測量到的焦點位置聲強(qiáng)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，其特征在于，所述的最大溫升率的計算如下=TCROmax = max ( Δ T0/ Δ t)，TCRlmax = max ( Δ T1/ Δ t)， 其中，TCROmax是低驅(qū)動電壓下得到的超聲吸收物表面的最大溫升率，用于求取超聲吸收物聲熱參數(shù)綜合特征值；TCRlmax是高驅(qū)動電壓下得到的超聲吸收物表面的最大溫升率，用于求取超聲聲場中對應(yīng)水平面的超聲聲強(qiáng)值；At為間隔時間；ATtl為在低驅(qū)動電壓下超聲吸收物表面在間隔時間內(nèi)的溫度變化；Δ \為高驅(qū)動電壓下超聲吸收物表面在間隔時間內(nèi)的溫度變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，其特征在于，所述的聲熱參數(shù)綜合特征值的計算如下MTransfOT = I1ZtCROmax，其中Mftanstom為表征超聲吸收物的聲熱參數(shù)綜合特征值，I1為測量第二步測量到的焦點位置聲強(qiáng)值，TCROmax是低驅(qū)動電壓下得到的超聲吸收物表面的最大溫升率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，其特征在于，所述的將此最大溫升率與第二步得到的衰減物理量值和第三步得到的聲熱參數(shù)綜合特征值進(jìn)行運算具體為1 Estimate ^Amptifyx Mlransform X TCRl腿x,其中 IEstimate 為超聲聲場聲強(qiáng)值；FAmplify為表征超聲吸收物對超聲聲源的衰減物理量;MTMnstom為表征超聲吸收物的聲熱參數(shù)綜合特征值；TCRlmax是高驅(qū)動電壓下得到的超聲吸收物表面的最大溫升率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于紅外測溫的高強(qiáng)度聚焦超聲聲場測量方法，包括第一步，水聽器測量聚焦超聲聲源的聲強(qiáng)值；第二步，放置超聲吸收物，水聽器再次測量聲強(qiáng)值，將第二步中獲得的聲強(qiáng)值與第一步獲得的聲強(qiáng)值進(jìn)行比較，得到的衰減物理量值；第三步，通過紅外測溫儀測量超聲吸收物在聚焦超聲聲源設(shè)定時間照射后在表面形成的溫升，通過計算求取表面溫升的最大溫升率，得到超聲吸收物的聲熱參數(shù)綜合特征值；第四步，通過使用紅外測溫儀測量在不同位置下超聲吸收物表面的溫升求取對應(yīng)的最大溫升率，將此最大溫升率與衰減物理量值和聲熱參數(shù)綜合特征值進(jìn)行運算得到相對應(yīng)不同位置的聲強(qiáng)分布。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有實現(xiàn)對HIFU聲場三維快速測量等優(yōu)點。
文檔編號G01J5/00GK102564571SQ20121003038
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月10日
發(fā)明者余瑛, 沈國峰, 白景峰, 陳亞珠 申請人:上海交通大學(xué)