超声功率测量仪设计与研制

黄鸿新，徐红蕾，胡昌明，郑 燕，余柳丹，吴子文，周沃华，郝建冬，罗一帆，

(1.广东省医疗器械质量监督检验所，广东 广州 510663; 2.华南师范大学 化学与环境学院，广东 广州 510006)

在肿瘤治疗领域里，为了确定对患者利用超声治疗诊断进行辐照的时间长短，需要对声动力肿瘤治疗系统的超声换能器即超声探头的超声功率进行测量，然后通过计算可得出超声有效声强。测量方法主要采用辐射力天平法[1-2]：超声治疗设备的超声换能器工作时发出超声波，超声能量通过脱气水进行传递，将特定的目标靶与超声探头的超声声轴对齐，目标靶上所受到的轴向声辐射力与目标靶的质量成比例关系，为1 g=14.65 W。在对病人进行诊断治疗时，病人躺在浴缸上，通过水的耦合，人体接受固定在浴缸上的超声探头的超声辐射，超声辐射到人体而激活人体内的药物[3-4]，从而对肿瘤进行治疗。对肿瘤起主要作用的是药物，但是超声功率的大小一方面关系到药物的激活情况，另一方面超声辐射本身对人体有危害，因此评估超声功率大小很重要。

然而目前在市面上能买到的超声功率测量仪是目标靶位于超声探头下方，目标靶设置在测量仪器上，这种测量仪比较适合可调整超声探头方位的测量，而对于需要测量固定的超声探头超声功率而言是这种超声功率测量仪不能达到要求的。

1 技术设计

超声功率测量仪结构的设计应包括用于称量的电子天平、测量待测物的目标靶、避免影响测量的所需要的吸声罩、用于测量超声作用下待测物重量的配重块、还有相关的杠杆支架和杠杆支撑杆。超声功率测量仪结构示意见图1。

图1 超声功率测量仪结构示意图

从图1可知，超声功率测量仪的支架上设有可调节的工作平台，工作平台上设有电子天平，电子天平上设有配重块，配重块通过杠杆机构连接目标靶，目标靶的正下方为超声探头放置区。

超声探头设有用于罩住超声探头的吸声罩，吸声罩由可吸收超声干扰的材料而围成的圆筒状结构。

杠杆机构包括杠杆支架和与杠杆支架连接的连杆，杠杆支架一端与配重块连接，连杆一端与目标靶连接，杠杆支架由与工作平台连接的杠杆支撑杆支撑固定。

目标靶是圆锥半角为45°且底面面积为5 000mm2的圆锥体，其锥角朝向超声探头固定的方向。

2 工作原理

测量时，初始状态即超声探头未发出超声波时，电子天平称量得到的读数记为W1；当超声探头工作发出超声波时，对目标靶倒置圆锥体形成一个向上的辐射力(超声波反射到吸声材料上，被吸声材料所被吸收)，倒置圆锥靶受力改变，电子天平称量得到另一个读数记为W2。这样，(W1-W2)的数值就表征了超声辐射力，按照1 g=14.65 W，的关系计算，就可以得到该超声探头的超声功率值。此外，测试时，无气纯净水作为介质，水的深度至少应盖过目标靶[1,5-6]。

3 超声功率测量仪的研制

根据超声功率测量仪的工作原理及设计的结构图进行研制。研制时在超声探头放置区上设有用于罩住超声探头的吸声罩，吸声罩由可吸收超声干扰的材料制成，并围成圆筒状，用于排除其他超声探头的干扰。吸声罩设置的原因是：在实际使用过程中，有可能存在多个超声探头同时工作而需要针对部分超声探头测量，这样的情况下，超声探头之间相互存在影响，且干扰的情况很复杂，比较难对超声探头的功率进行测量，而吸声罩能把需要测量的超声探头“罩”起来，可以有效避免其他超声探头的干扰，提高测量的精度。

可调节的工作平台一方面能支撑测量仪器，使之能够保持称量所需的水平状态，另一方面还能够通过调节上下或者左右移动。

特别要说明的是，杠杆支架和与杠杆支架连接的连杆的工作原理具体是：目标靶与配重块两者在杠杆机构连接下相互作用，受力平衡，配重块在竖直方向上受的是拉力，它自身的重力与所受的拉力的合力会在电子天平上显示出来，当目标靶受超声波辐射时会受力改变，配重块受的拉力也会改变从而使其合力改变，然后反映在电子天平的读数上。通过该杠杆平衡机构可以测量出超声波功率。

4 实测测试结果与分析

为了检验所设计及研制的超声功率测量仪的稳定性和准确性，我们取了10个超声探头进行测量，得到的结果见表1。

表1 超声功率测量仪测量超声探头的功率密度实验数据

从表1看，超声功率测量仪测得的不同功率的超声探头的功率密度的实测值与其标示值的差值较小，说明设计的超声功率测量仪的准确度较好。另外在不同时间测量同一个超声探头，发现其数值没有差异，表明超声功率测量仪测量超声探头具有较好的稳定性。

[1] 任宏伟，崔涛，徐胜鹤，等，常见超声功率计的原理及应用[J].中国计量，2011(12)：110-111.

[2] 寿文德，周刚，夏荣民,等.SJTU-1型医用超声诊断设备声输出测量系统的研制[J].应用声学,2012(2)：34-36.

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