ZB C 41008-1986 医用超声诊断仪的脉冲声强测量方法.pdf

中华人民共和国专业标准 医用超声诊断仪的脉冲声强 测 量 方 法 ZB C 41 0 08 -86 Me t h o d s o f me a s u r i n g t h e p u l s e a c o u s t i c p r e s s u r e o f 川t r a s o n i c d i a g n o s t i c e q u i p me n t f o r me d i c a l u s e 本标准适用于1 . 2 5 一 6 . 3 MH z 频率范围内医用超声诊断仪的空间峰值时间峰值声强、空间峰值时 间平均声强和空间平均时间平均声强的测量。测量范围为。 一2 X 1 0 W/ m . 本标准规定的方法对于聚焦的和非聚焦的换能器都适用。 1 名词、术语 1 . 1 电 缆端水 听器 灵 敏度 ( e n d - o f 一 c a b l e s e n s i t i v i t y o f a h y d r o p h o n e ) 水听器的任何整体电缆或连接器端的电压 ( 连接到规定的输人阻抗上)与水听器移去时水听器原 在位置的未 扰动的自 由场平面波瞬时声压的比值。符号:ML ，单位:V / P a . 1 . 2 声波束中心 ( s o u n d b e a m c e n t r e) 通常是在垂直于波束 轴的平面内的具有空间峰值声压的一点。 1 . 8 瞬时声压 ( i n s t a n t a n e o u s a c o u s t i c p r e s s u r e ) 声场中 特定点 在特 定时刻 的压力 减去 环 境静压力 。符号:尸; 单 位:P a . 1 . 4 波束横截面积 ( b e a m c r o s s - s e c t i o n a l a r e a ) 在垂直于波束轴的平面内，脉冲声强在一个脉冲周期内对时间的积分 ( 脉冲强度积分)大于该面 内脉冲强度积分最大值的2 5( 一6 d B )的区域面积。符号:A;单位:m2 o 1 . 5 空1,1 11 峰值时间峰值声压 ( s p a t i a l p e a k t e m p o r a l p e a k a c o u s t i c p r e s s u r e ) 声 场 中 或 特 定 平 面 内 瞬 时 声 压 绝 对 值 的 最 大 值 。符 号 : P I M P ， 单 位 : P a . 1 . 6 空间峰值 时间 峰值声强 ( s p a t i a l p e a k t e m p o r a l p e a k a c o u s t i c i n t e n s i t y ) 声场或特定平面内，时间峰值声强的最大值。符号:I I M P ;单位:W / m 2 e 1 . 7 空间峰值时间平均声强 ( s p a t i a l p e a k te m p o r a l a v e r a g e i n t e n s i t y ) 声 场 中 或 特 定平 面 内 时 间 平 均 声 强 的 最 大 值 。待 号 : I . P ,. ， 单 位 : W / m 2 。 1 . 8 空间F _ 均时间平均声强 ( s p a t i a l a v e r a g e t e m p o r a l a v e r a g e a c o u s t i c i n t e n s i t y ) 在特定平面内 或包含超声换能器 ( 或超声换能器的一个阵元组)的空间峰值时间峰值声压点的平 面 内 ， 对波 束 横 截面 积 作 空 间 平均 的 时 间平 均声 强 。符号 :I II . ; 单 位 : W/ m 2 . 2 测f原理 本标准规定用一个已校准的兆赫频率范围的水听器测量系统测量并记录医用超声诊断仪发射的声 脉冲波形和空间分布及其重复频率， 均声强和空间平均时间平均声强。 通过计算得到该 仪器的空间峰值时间峰值声强、 空间峰值时间、 1 2 . 1空间峰值时间峰值声强的测量 在超声 诊断仪换能器的超声场中，选定三维直角坐标系 ( X, Y, Z)的原点在发射换能器表面 的声中心处，X轴为声束的中心轴，在其声压瞬时值达到最大的空间位置 ( L P , 0 , 0 ) 安放兆赫频 率 范 围 的 测 量 水 听 器 ， 测 得 水 听 器 的 输 出 电 压 最 大 瞬 时 值 U L U P , - 一一-. -一-， 一目 - - - 一 一 国家医药 管理局19 8 6一 0 9 - 2 0 发布 0 ， 0 , r 刃 ，用下式计算空间峰 1 98 7一.03一0 1 实施 zB c 41 00 8-8 6 值时间峰值声强: 1 , r r r = U 孟 ( 1 r , 0 ，0 ，t , ) / ( Ml P C ) . . . V / P a , 一(1) 式中:ML -诊断仪的工作频率的电缆端水听器灵敏度， 夕一 禅屯 水的密度，k g / mk g / ml ; 纯水中的声速，m/s; 声场中声压幅值最大处与发射换能器的相距长度，m, 声压波形中最大瞬时值出现的时刻，s o cptP 2 . 2 空间峰值时间平均声强的测量 在示波器屏幕上拍照记录U ( I , , 0 , 0 , t )波形，用下式计算空间峰值时间平均声强 1 . 1 1 . 二 式中:F一声脉冲重复频率， Ml P C Hz ; 六U L, (1 r , “ ， 0 ， d t 一 ” t , 单个声脉冲起始的时刻，s ; t 2 单个声脉冲终止的时刻，s o 2 . 3 空间平均时间平均声强的测量 用兆赫频率范围的测量水听器在l月， 平面内作二维扫描的方法，获得各空间点处的水听器输出 电压波形并在示波器屏幕上拍照记录，用下式计算空间平均时间平均声强 ，“ !一 M p c A 丁 兀 r ( f nF f f C f r.U x ， ， z , t ) d t d y d z 一 3 ， 式中:A一在X二 厅处的波束横截面积，m2 . 2 . 3 . 1 对于矩形换能器，实行二维栅格扫描 J 兀 f r: U 2 (1n ， ， 一 ， ， U Q乙 柑艺 - A t A Y A ZE ( 1 r , m A y , n A z , g A t ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .( 4 ) 式中:A t 电 压平 方函数U乏 ( l r , Y , z , I ) 时间积分时的时间取样间隔，s , “ 一 电 压 平 方 函 数 U ;,( 1 n Y , z , t ， 时 间 积 分 时 的 时 间 取 样 点 数 ， 。 _ t x - hA t 。 A y , A z 分别为在Y 方向与z 方 0 1 扫描的取样的步距长度，m, M, N分别为在X = j ， 处波束横截面内y 方向与z 方向扫描的取样点的数目 。 2 . 3 . 2 对于 圆形换能器，实行 J 次 ( J 4 )直径方向的扫描 f J V ,一 U 2(，一 ， ， 一 ， d t) d y d z U ( ! r , ， ， ， ， t ) d 口 r d r d g; 口 K一: J 曰!. 一IJ ，0 丫J r山 -工 x At ( 人r ) 2 艺 乙 乙U Lll U r , k A r , g A t ) 一 引 十 扣t ( A r) z E , U , = ( / n 0 ， ， ， A t ) * *- - 二 二 “ ” “5 式中: r 一 - 超声束中 心到每个扫 描场 点的距离， 通常波束中 心选在Y .: 坐 标系 统的原点，则r = ( y 2 + 二 ， ) 气m , A r 直径方向扫描的步距，ms K 直径方向扫描的步数，K 二R, ， +Rx i 八r Z B C 4 1 0 0 8 -8 6 R , ; , R 2 ; 第1 次直径方向扫描中从波束中心分别到脉冲强度积分下降6 d B 的两点的 距离，m; R, 甲 测t系统 R , ， 和R Z ， 中的大者，对称时R J = R= R2 ; , ms 扫描直径的圆心角，r a d o 3 . 1 测量系统的组成 测量系统由已校准的兆赫频率范围的测量水听器、具有三维六个自由度的坐标系统的水槽、示波 器和照相机组成。 装置的安排如图1 或图2 所示。 图 I 垂直安装方式的测量装置示意图 图 2 水平安装方式的测量装置示意图 8 . 2 测量仪器 3 . 2 . 1 已校准的兆赫频率范围的测量水听器 测量用的已 校准的兆赫频率范围的测量水听器一般用聚偏氟乙烯 ( P V D F 或P V F 2 ) 压电高分子 聚合物薄膜制成，其中的灵敏元件的有效直径应小于或等于 1 mm. ZB C 41 008- 86 该水听器的电缆端电压灵敏度的校准方法参见附录A, 缆端电压灵敏度不低于一 2 6 0 d B( 0 d B 为1 V / 4 P a ) ， 听器电缆端电压灵敏度响应变化不大于士 0 . 5 d B e 校准的频率不低于6 . 起伏不大于士3 d B ，在2 3 3 MHz ，在频带内 电 士3 0C 温度范围内水 水听器放人声场后，应不发生混响，对超声场扰动极小。 3 . 2 . 2 测量水槽 甘 。 咒竖竺 士 竺 予 统 11 -有 - 携 i 活 地 安 装 调 节 换 能 器 及 水 听 器 的 方 位 角 与 俯 仰 角 的 能 力 其 位 移 调 节 精 度 优 于 0 . 1 m m ， 角 度 调 节 精 度 优 于 0 . 1 .- - - - - ， - 一” 二 二 “ “ 恻 暑 水 哼 牢 当 采 取 消 声 措 施 ， 为 达 到 消 除 槽 壁 反 射 的 要 求 ， 其 吸 收 系 数 应 大 于 。 . 9 9 测 量 水 槽 的 最 小 尺 寸 : 2 0 0 x 2 0 0 x 2 0 0 垂 直 安 装 ) 一 一 一 、一 、 “一 “ 2 0 0 x 2 0 0 x 6 0 0 ( 水平安装) 测量水槽应良好屏蔽。 3 . 2 . 3 示波器 频响大于等于 2 0 MH z ,输人阻抗大于等于1 M 4，灵 敏度优于。 . 5 M V / d i v .最 f# 7 # d k h F i o n ., / d i v ， 电 压 幅 度 与 时 间 标 度 的 校 准 精 度 1 3。一 一 - 一 3 . 2 . 4 照相机 4 测f条件 : :; 全部测量都应使换能器工作在除气蒸馏水中的等效自由声场条件下进行 传声媒质应采用除气蒸溜水，温度范围2 3 士3 除气方法:在大气压下把水煮沸1 5 mi n , 述降压条件下封存3 h 后再使用。 或将水置于4 0 0 0 P a 的降压条件下处理 在测量过程中应尽量减/ 1 3 h ，并继续在 上 方法，至少应在1 2 h 内进行一次除气。 、 空气再次溶人水中 。除非采用特殊的贮存 5 测f步骤 5 . 1 测量前的准备 测量前换能器表面、水听器表面均应清洁处理，并应在除气水中至少浸泡3 0 m i n ,测量时应小心 驱除作用面上的所有空气泡。在水平安装方式测量时应对换能器采取水密措施。 按照图1( 或图2 )安排仪器设备。测试前仪器预热3 0 m i n ， 并进行零位、幅度、时间标度校准。 5 . 2 测量用水听器的调整 按图1 所示，把测量水槽安装在可调倾角的支承台上，在槽底水平衬垫吸声贴面，其上水平安放 兆赫频率范围的测量水听器。调节支承台的角度使水听器灵敏元件的接收面的法线垂直向上。 或按图2 所示，把水听器安装在支架上，调节其方位角和俯仰角，使其接收面的法线保持水平。 调整中 应保持水 听器的灵敏元件中心位于两个旋转轴的交点上。 5 . 3 被测换能器与水听器之间 钓调整 按图1 所示把被测换能器安装在支架上， 使其两个旋转轴 ( Y 轴与z 轴)均通过换能器的声辐射面 中心，反复调整被测换能器倾角 钾与B )及与水听器的距离f ，使诊断仪换能器的声束中心轴x 与水 听器的声轴丫相重合，并使水听器位于x 轴上水听器输出最大电压位置X = l ， 处。 或按图2 所示，把被测换能器安装在支架上，使其两个旋转轴 ( Y 轴与z 轴)均通过换能器的声辐 射面中心，反复调整换能器的坐标位置、方位角口 与俯仰角B ，并调整水听器的两个旋转角 ( 9 与6 1 ) , 使诊断仪换能器的声束中心轴X与水听器的中 心轴X 相重合，最后使水听器位于X 轴上水听器输出最 大电压位置X = J P 处。 对于平面活塞型被测换能器，J r 位于声轴上最后一个声压极大值位置。 对于 聚焦型换能器，l ， 位于声焦点处 ( 一般取焦域的对称中心 、 )。 5 . 4 咏冲声强的测量 ZB C 41 008- 88 5 . 4 . 1 侧量此时水听器输出的空间峰值时间峰值电压U L . P UP , 0 , 0 , I P )同时用照相机记录 此时示波器上的电压波形U L UP , 计算I . P P ，根据“ ( l P , 0 ，0 ， 0 , 0 , t )并记下示波器的时间标度和电压标度，使用 ( I )式 t )波形图使用 ( 2 )式计算I . P , . . 5 . 4 . 2 对于圆形换能器，保持被测换能器与水听器相距长度1 P 及y 二 换能器，从R , j 扫描到R 2 ,( 或移动水听器)进行直径方向的声场扫描， 次 水 听 器 的 输出 电 压 波 形 。 典 型 的水 听器 输出 电 压 波 形 如图3 所 示 。 步距A y , e z 及 ， 的选取方法: 0 ，在Z 方向以 z 的步距移动 每个步距点都用照相机记录一 。 / _ V 一 口 一 J、 . 曰 浏 (A日)日却泪稗络咨书 0 0 . 4 0 . 6 1 . 2 时Id l r ( V s ) 图 3 典型的水听器输出电压波形 对于平面活塞型 换能器，A y , A z 及A ， 应小于或等于水听器灵敏元件的直径。 对于聚焦型 换能器，A y , e z 及 ， 应小于或等于水中的声波波长。 将被测换能器绕x 轴以步进角7 t / r 旋转./ 次，每旋转一次，重复上述直径方向扫描一次，并记录各 步距点的水听器 输出电压波形。 根据每个步距点的水听器输出电压波形照片， 和 空 间 积 分 值 。 图4 示 出 典 型 的u 二 ( ! P ,。 ，0 , 平均声强。 把波形幅度作平方处理后，利用 ( s )式计算时间 t )函数曲线。再利用 ( 3 )式计算空间平均时间 门 八. 八 ， U 八 _产.J . 护 . 、 (淤E校降进却羌钾略劣长 0 0 . 41 . 6 2 . 0 时间f( 协，) 图4典型 的 U l ( ， ， ， 1 . 2 0， 0，) 函数曲线 5 . 4 . 3 对于线阵矩形换能器，则应在被侧阵元组的X二 f 评 面内作栅格扫描， 5 . 4 . 2 款的规定相同，每个步距位置的水听器输出电压波形均用照相机记录。 根据每个步距点的水听器输出电压波形照片，把波形幅度作平方处理n。利用 和空间积分值，再用 ( 3 )式计算出空间平均时间平均声强。 步距 选 取方法与 ( 4 )式计算时间 ZB C 4 1 0 0 8 -8 6 测f准确度 在电缆端水听器灵敏度的准确度优于1 2 0 % 的条件下， 士 3 0 。空间峰值时间平均声强的测量准确度优于士 3 2 % , 1 3 7%。 空间峰值时间峰值声强的测量准确度优于 空间平均时间平均声强的测量准确度优于 ZB C 41 0 08 -8 6 附录A 兆赫频率范围 测f水听器电 缆端电 压 灵敏度的校准方法 ( 参考件) 轴向声压法 A. 1 原理 根据声辐射原理，在单频平面活塞型超声发射器的自由声场中， 距离l ( 1 一3 )A , 从处 ( A g 为换能器的辐射面的面积)的 声轴上离发射器的等效声中心的 一 点上的声压有效值尸 ， 可用下式计算: P , = 今c R , W 一 了n /2 e 。 。 。 。 。 ( A1) 式中:W-发射换能器的输出声功率，w; R B 发射换能器的指向性因数; a 一 纯水件 ， 的声衰减系 数，N c 1 mo 假如在该发射换能器声轴上X二 1 处安放测量水听器 则该水听器的自由场电压灵敏度M。 用下式计算: . 水听器的开路输出电压有效值为U(1,0.0), P c RA W ( A 2) e U一/ 一兀一 一 - M 假如水 听器的整 体电缆或连接器端的电压为U c ( 1 , 0 ,。 )， 式计算: 则其电缆端水听器灵敏度M: 用下 一 M 走二 2, 甸 Ux ( 1 , 0 ,0) P C R, 甲 ， . “ 。 。 ， 二( A3) A. 2 测f方法 A. 2 . 1 辅助换能器的制备 称 性 9YF - 鬓 iJf ll 幸 纂 霆 覆 黔 鑫 雾 霆 , fq!产 瞥 鬓 fp A I 攘 馨 Jr, 4F , a luJf I-“rl # u lL li dJ#e h J , Fj.# a f #t a 准 的 频 ” 要 求 ” 助 换 能 器 的 “ 2 . 2 辅助换能器的输出声功率的测量 在稳定电压U T 激励下，利 功率Wo 用 辐射压力超声功率计或声光衍射功率计测定辅助换能器输出的超声 A. 2 . 3 指向性图的测量 A. 2 . 3 . 1 按 卜 图安 排好仪器设备 辅助换能器与接 收换能器的声学中 心应处于同一水平 面内， 两者连线通过X轴，相距l ( 1 且被校水听器应始终对准发射换能器。 旋转 1 1 8 0 . 3 )4 a / ,1 o辅助换能器应能围绕过其声辐射面中心的垂线 ( z 轴) 水槽中应贴敷消声尖劈，保证声场具备良好的自由场条件或等效自由场条件 测量条件和测量前的准备与标准正文中4 条和5 . 1 款规定相同。 A. 2 . 3 . 2 旋转辅助换能器，记 录电缆端水听器输出电压U L ( 0 ) A5 束中 心轴与x 轴的夹角)侧定的数据用下 式归一化为指向性函数 与所在的发射角B( 即辅助换能器 ZB C 41 0 0 8 -8 6 D 。 、 二 UL ( 0 ) / U L ( 。 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( A 4 ) 式中:UL( 0 )水听器输出最大电压值，Va T 一 辅助换能器赛 H一 被校水听器 ( 接收换能器) 测量过程中应保持激励辅助换能器的电压U ， 与频率不变。 把指向性函数画在极坐标或直角坐标系中。就成为指向性图案。直角坐标系 的指向性图案可用记 录仪自动描绘。 A. 2 . 4 用电压U T 激励辅助换能器。 此时测得被校水听器的电缆端水 缆瑞水 听器输出电压U L ( 1 , 0 . 0 ) , 并记录水温t 。 AZ . 5 用脉冲诊断仪测量水听器与辅助换能器之间的距离t o A . 2 . 6 更换辅助换能器，改变校准频率，重复上 述步骤。 A. 3 数据处理 A. 3 . 1 辅助换能器的指间性因数Re 的计算 在辅助换能器的指向性函数对称的条件下，其指向性因数盆 ， 用下式计算: 2 上式分母可用近似求和法计算 大 D ,a ,s i n O d O 。 . ， ( AS) f D s in O “ I“ 一 军 c D 2 ， ) sin “ ! ) ) -n 二 二T , D 2- 。 刀了 管 飞 ， ( A 6) 式甲:。-0 从0一 二 变化范围内测试点数，即角度等分数; ZB C 4 1 0 0 8 -8 6 i测试点的序数。 如果辅助换能器的指向性的对称性不够理想，则 应 绕 x h 以 步 进 角 知转 辅 助 换 能 器 。 转 知后 测 量 一 次 指 向 性 函 数 。 对 每 个 指 向 性 函 数 进 行 两 次 式( A 6 ) 的 积 分 ， 将 求 得 的 在每次旋 2。个积分 值取算术平 均值代人式 ( A 5 )即可得到R , ，一般m大于等于4 , 辅助换能器指向性的对称性由式 ( A 6 )在。 一 兀与。 ( 一 二 )积分值的百分差来确定由圆柱 对称性假设引人的误差度。 A . 8 . 2 把测量得到的W, ，U L , R ， 以及温度t 时水的v、c 值代人式 ( A 3 )求得在该辅助换 能器的超声场频率下，待校水听器的电缆端水听器灵敏度。 A, 8