超声功率计的研制

【作 者】黄鸿新，胡昌明，郑燕，徐红蕾，周沃华，吴子文，余柳丹，郝建冬，罗一帆

1 广东省医疗器械质量监督检验所，广州市，510663

2 华南师范大学化学与环境学院，广州市，510006

0 引言

恶性肿瘤是21世纪影响人类健康的头号杀手。目前，作为选择性好、副作用小的恶性肿瘤治疗方法，光动力治疗(Photodynamic Therapy,PDT)和声动力治疗具有很好的应用前景[1]。

在肿瘤治疗领域里，如要使用超声治疗仪，声动力肿瘤治疗仪就是一种较为典型的仪器。其超声探头固定在浴缸的底部和侧面，在对病人进行治疗时，病人躺在注满水的浴缸中，通过水的耦合，人体接受超声辐射，从而激活体内药物，对肿瘤进行治疗[2]。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，另一方面过多的超声辐射对人体有危害，因此评估超声功率大小十分重要。

目前，市面上的超声功率计的目标靶大多设于超声探头下方[3]，比较适合对可调整超声探头方位的功率进行测量，却无法对声动力肿瘤治疗仪的超声探头功率进行测量。对此，我们设计和研制了一种超声功率计，其目标靶通过连杆连接在电子天平的底部，而电子天平可通过支撑装置固定在声动力肿瘤治疗仪浴缸上方，方便调节与探头的垂直距离和水平位置，从而对固定的超声探头功率进行测量。

1 技术设计

超声功率计用于测量超声的功率，其测量方法主要采用辐射力天平法[4]：超声治疗设备的超声换能器在工作时发出超声波，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重量成正比例关系[5]。因此，一般超声功率计结构的设计应包括测量时用于称重的电子天平，测量待测物的目标靶，避免影响测量结果的吸声罩，待测或校准的超声探头，还有相应的工作台等。

超声功率计结构示意图，如图1所示，包括支撑装置（支架6），支架6上设有可调节的工作平台7，工作平台7上设有电子天平1，电子天平1通过连杆2连接了目标靶3（圆锥体），目标靶3正下方为超声探头放置区5。

其中，超声探头5放置区就是声动力肿瘤治疗浴缸面8上设置的多个超声探头，超声探头放置区设有用于罩住超声探头的吸声罩4，吸声罩4由可吸收超声干扰的材料围成的圆筒状结构。

图1 超声功率计结构Fig.1 Schematic fi gure of ultrasound power meter

目标靶3为圆锥半角为45o且底面积为5000 mm2的圆锥体，其锥角朝向超声探头固定的方向。

工作平台为硬质平面，具有一定的承重能力（不小于5 kg）。

2 超声功率计的研制

根据超声功率计设计的结构图进行研制，首先声功率计的连接，其支撑装置上设置了测量仪器，测量仪器则通过连杆连接了目标靶，目标靶的正下方连接超声探头放置区。

在超声探头放置区上设置用于罩住超声探头的吸声罩，要注意的是，吸声罩是由可吸收超声干扰的材料围成的圆筒状结构，这种设置可用于排除其他超声探头的干扰，且减少测试探头的声反射。这里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对部分超声探头进行测量，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，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。

支撑装置主要是研制支架。支架连接了可调节的工作平台，工作平台上设有测量仪器。可调节工作平台的作用是：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，另一方面还应能够通过调节上下或者左右移动，使得测量仪器和目标靶能够调整至任意超声探头的上方。

研制时，连杆与测量仪器和目标靶的连接均为固定连接。测量仪器为电子天平，电子天平下部称量接口与连杆相连，连杆另一头与目标靶相连，两者的连接均为固定连接，连杆材质可为铝合金等硬性轻质金属，这些均有助于保持目标靶的稳定，从而能提高测量的稳定性。

目标靶为圆锥体，圆锥体锥角朝向超声探头，圆锥体为倒置设置，使其锥角朝向超声探头，圆锥半角为45o。

为了更好使用研制的超声功率计，特别要注意：测量时，由吸声材料制成的圆筒吸声罩在所选中测量的超声探头上方，让探头处于圆筒中间位置，目标靶和连杆及电子天平相连，将目标靶（目标靶是倒置金属圆锥）圆锥体锥角与超声探头中心大致对齐，记录下此时的天平读数W1。使探头工作，发出超声波，超声波作用在圆锥靶上，由于目标靶是半角为45o的圆锥体，超声波作用在圆锥侧面，对靶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)，待稳定后读取天平读数W2。此时，W1-W2的数值就表征了超声辐射力，按照1 g=>14.71 W，1 mg=>14.71 mW的公式计算[5]，就可以得到该超声探头的超声功率值。此外，测试时，浴缸里是放了无气纯净水的，水的深度至少应盖过目标靶。

与现有的超声功率计设备比较，本文研制的设备有如下特点：结构具有实质性区别，现有超声功率计的目标靶位于超声探头下方，然后目标靶设置在测量仪器上；本超声功率计是目标靶的正下方为超声探头放置区，工作时超声探头放置区放置超声探头，使得目标靶位于超声探头之上，进行测量。很明显目标靶与超声探头的相对位置关系前后两者就是相反的，而且，本实用新型超声功率计的结构恰好可以适用于超声探头固定的情况，很好地解决了现有技术存在的问题。此外，还能测量固定的超声探头功率，结构简单、测量稳定且测量精度较高。

3 测试结果

由于临床上，声动力治疗肿瘤使用的超声功率范围是（1.2～3.5）W，为了检验本文设计及研制的超声功率计的稳定性和准确性，我们选取了多个超声探头在功率为（1.2～3.5）W的范围内进行测量，得到的结果见表1。

从表1的结果来看，超声功率计测量不同功率的超声探头，其实测值与其标示值的差值较小，说明设计的超声功率计的准确度较好。另外，在不同时间测量同一个超声探头，发现其数值差异不大，结果表明超声功率计测量超声探头具有较好的稳定性。

表1 超声探头的测量结果Tab.1 Measurement results of ultrosound probe

[1]林建光,张为民,王晓怀,等.声敏剂Sonoflora 介导的声动力治疗小鼠S180 肉瘤的实验研究[J].临床肿瘤学杂志,2013,18(4):300-304.

[2]赵广连,王晓怀,苏江安,等.全方位超声医疗系统[P].[3012-03-21].200810161328.6.

[3]霍彦明,周月侠,王鹏程,等.宽功率范围超声功率计的设计研究[J].声学技术,2004,1: 68-69.

[4]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.

[5]全国声学标准化技术委员会.GB/T 7966-2009 声学 超声功率测量 辐射力天平法及性能要求[S].