ZB C 41008-1986 医用超声诊断仪的脉冲声强测量方法.pdf

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1、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 41008-86Methods of measuring the pulse acoustic pressure of川trasonic diagnostic equipment for medical use本标准适用于1.25一6.3MHz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 X10W/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(end-of一cable sensitivity of a hydroph

2、one)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 /Pa .1.2声波束中心(sound beam centre)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(instantaneous acoustic pressure)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:Pa.1.4波束横截面积(beam cross-sectional area)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

3、25(一6 dB)的区域面积。符号:A;单位:m2o1.5空1,111峰值时间峰值声压(spatial peak temporal peak acoustic pressure)声场中或特定平面内瞬时声压绝对值的最大值。符号:PIMP，单位:Pa .1.6空间峰值时间峰值声强(spatial peak temporal peak acoustic intensity)声场或特定平面内，时间峰值声强的最大值。符号:I IMP;单位:W /m 2e1.7空间峰值时间平均声强(spatial peak temporal average intensity)声场中或特定平面内时间平均声强的最大值。待号

4、:I.P,.，单位:W/m2。1.8空间F_均时间平均声强(spatial average temporal average acoustic intensity)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:III.;单位:W/m2.2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、12.1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

5、，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(LP, 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UL UP,-一一-.-一-，一目-一一国家医药管理局1986一09-20发布0，0, r刃，用下式计算空间峰1987一.03一01实施zBc 41008-86值时间峰值声强:1,rrr= U孟(1r, 0，0，t,)/ (MlPC).V / Pa,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，kg/mkg/ml;纯水中的声速，m/s;声场中声压幅值最大处与发射换

6、能器的相距长度，m,声压波形中最大瞬时值出现的时刻，socptP2.2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1.11.二式中:F一声脉冲重复频率，MlPCHz;六UL, (1r,“，0，dt一”t,单个声脉冲起始的时刻，s;t2单个声脉冲终止的时刻，so2.3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 pcA丁兀 r (fnF ffCfr.Ux，z, t)dtdydz一3，式中:A一

7、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fr: U2 (1n，一，UQ乙柑艺-AtAYAZE(1r,mAy, nAz,gAt).(4)式中:At电压平方函数U乏(lr,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 nY, z, t，时间积分时的时间取样点数，。_ tx-hAt。Ay,Az分别为在Y方向与z方01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(J4)直径方向的扫描fJV,一U2(，一，一，dt)dydzU (!r,，t)d口rdrd

8、g;口K一: J曰!.一IJ，0丫J r山 -工xAt(人r)2艺乙乙ULll Ur,kAr,gAt)一引十扣t(Ar)z E, U,=(/n 0，At)*-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=(y2+二，)气m,Ar直径方向扫描的步距，msK直径方向扫描的步数，K二R,，+Rxi 八rZB C 41008-86R, ;, R2;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 dB的两点的距离，m;R,甲测t系统R,，和RZ，中的大者，对称时RJ=R=R2;, ms扫描直径的圆心角，rado3.1测量系统的组成测量系统由已

9、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(PVDF或PVF2)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 41008-86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一260dB(0 dB为1 V /4 Pa)，听器电缆端电压灵敏度响应变化不大于士0.5dBe校准的频率不低于6.起伏不

10、大于士3 dB，在233MHz，在频带内电士30C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。.99 测量水槽的最小尺寸:200 x 200 x 200垂直安装)一一一、一、“一“200 x 200 x 600(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20MHz,输人阻抗大于等于1 M4，灵敏度优于。.5MV/di

11、v.最 f# 7#dkhFion.,/ di 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23士3除气方法:在大气压下把水煮沸15min,述降压条件下封存3h后再使用。或将水置于4000Pa的降压条件下处理在测量过程中应尽量减/13h，并继续在上方法，至少应在12h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30m i n,测量时应小心驱除作用面上的所有空气泡。在水

12、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30 min，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

13、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61),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 =JP处。对于平面活塞型被测换能器，Jr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 410

14、08-885.4.1侧量此时水听器输出的空间峰值时间峰值电压UL.P UP, 0, 0, IP)同时用照相机记录此时示波器上的电压波形UL UP,计算I.PP，根据“(lP, 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1P及y二换能器，从R,j扫描到R2,(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Ay, ez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

15、咨书0 0.4 0.6 1.2时Idlr (Vs)图3典型的水听器输出电压波形对于平面活塞型换能器，Ay, Az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，Ay, ez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7t /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

16、时间f(协，)图4典型的Ul(，1.20，0，)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 41008-86测f准确度在电缆端水听器灵敏度的准确度优于1 20%的条件下，士30。空间峰值时间平均声强的测量准确度优于士32 %,1 37%。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 41008

17、-86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(Ag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;RB发射换能器的指向性因数;a一纯水件，的声衰减系数，Nc1mo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),PcRAW(A2)eU一/一兀一一- M假如水听器的

18、整体电缆或连接器端的电压为Uc (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)PCR,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, aluJfI-“rl#ulLlidJ#ehJ, Fj.#af#ta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UT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

19、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1 180.3)4a/,1o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UL (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 41008-86D。、二UL (0)/UL(。) (A 4)式中:UL(0)水听器输出最大电压值，VaT一辅助换能器赛H一被校水听器(接收换能器)测量过程

20、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UT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UL (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toA.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,si n OdO。.，(AS)f D sinO “I“一军c D2，

21、)sin“!)-n二二T, D2-。刀了管飞，( A6)式甲:。-0从0一二变化范围内测试点数，即角度等分数;ZB C 41008-86i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xh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,，UL, 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

22、率下，待校水听器的电缆端水听器灵敏度。A,8.8对每种不同频率的辅助换能器，重复上述计算，最后得到水听器的电缆端的频响曲线。ZB C 41008-86附录B医用超声诊断仪的脉冲声强测t方法的误差估计(参考件)B.1B.2本标准规定的测量方法其测量误差由下述因素构成，分析估计如下:在薄膜水听器的校准中的误差估计:辅助换能器的总声功率测量误差0B(t 10%)辅助换能器在校准中的安装误差。(士5%)水听器的安装定位误差or q(士5%)辅助换能器指向性函数描绘记录和积分误差OD(士10%)由于假定波束指向性对称引入的误差。c。(土了%)水听器尺寸大于水中的声波波长时引入的误差。(土10%)水听器灵

23、敏度校准的误差为OM=(。压+。遥。+O2+。天+oiy+口h)专二20%在医用超声诊断仪的脉冲声强测量中的误差估计示波器的校准精度和由波形读出峰值电压的误差ov(士3%)水听器定位与波形时间积分误差。T.(士12%)水听器时间稳定性引人的误差o.ub(士12%)水听器声压响应的非线性极限与声压线性的标准偏差引人的误差or.(土15%)水听器位于离轴位置波形形状变化产生的误差ow.(士8%)被测声束的描绘与对称性假设引人的误差obp(士7 %)水听器的频率响应范围有限引人的误差。，( t 16%)空间峰值时间峰值声强测量的误差O.MP二(“+ osl.b +011.二+0Z )v二30%空间峰值时间平均声强测量的误差o.,。二(OM+OTi + Osub+03.+o:)2v=32%空间平均时间平均声强测量的误差o!一(a m O.M P+02+。:。+ O2,+。玉)于二37%附加说明:本标准由全国医用电器标准化技术委员会提出，由上海医疗器械研究所归口。本标准由上海交通大学负责起草。本标准17要起草人寿文德。