声强计算中的探头有效辐射面积问题

声强计算中的探头辐射面积问题

牛凤岐
   
医用超声设备的声输出参数有许多个，JJG639—1998中涉及的仅是空间平均时间平均声强，而且只有它才是用输出功率除以探头有效辐射面积求出。其它声输出参数均在大水槽中用水听器扫描法测量，涉及的是声轴上不同位置的波束横截面积。
迄今为止，声输出功率的测量有两类方法，第一类是直接测量声功率，第二类是测出声强然后算出声功率，由于法规和标准中要求的声输出参数几乎都是声强、声压，第二类方法实际上几乎没有用途。第一类中又以采用反射靶或吸收靶的辐射力法最为常用。辐射力法有两项基本前提，一是波束(声束)应是平行或平顺的，二是声波须全部“打”在靶上，不能“脱靶”。如此，就只有单元式探头或最大尺寸小于靶直径的阵列探头符合要求，而产生扇形图像的凸阵、相控阵则都不在此例。
为了解决这一矛盾，美国医学超声学会(AIUM)和美国电气制造商协会(NEMA)提出并采用了“有界声功率”概念，并为美国和IEC标准所采纳。所谓“有界声功率”，就是用“掩模(带孔洞的隔声片)”将探头辐射面的大部分遮断，仅留正中间1cm宽范围内压电晶片向外辐射的声功率。由IEC标准转化而来的国家标准GB9706.9—2008中采用的就是这种方法。
对于敞口式功率计，如Ohmic公司产品，宜紧靠探头加一掩模，与探头声透镜一起浸没在水中；对廊坊市计量所生产的“小窗口”式功率计，宜将掩模铺在窗口上，再放探头，窗口上的乳胶膜、掩模和探头辐射面之间用耦合剂耦合。（注：掩模供应事宜请与我们联系。）
按照最新的国家标准，对于超声诊断设备，按其声输出分为三个层次：峰值负声压小于1MPa，空间峰值时间平均声强小于100mW/cm2，输出波束声强小于20mW/cm2，不需要公布者；超过限制，须在随机文件中予以公布者；远高于老标准中规定值，需要将声输出参数换算成声输出指数(热指数、机械指数)予以屏幕显示，在临床上由医生掌握者。而这些规定中的声输出参数，都不是用功率计和在医院现场所能测量的。
需要说明的是，这种变动并不能动摇或弱化将B超等列入“计量器具”和实施强检的正当性，因为我们依据的是它们有计量功能，即在临床上测量人体参数，而非因声输出的强弱。从这一角度说，新标准不仅没有弱化，而且加强了，原因是B超对人体参数的测量，除原来的一维外，又新增

该短文末尾的半句为“除原来的一维外，又新增了二维和三维。”请读者留意。
顺便说明，按照最新的B超标准（包括上报待批的GB10152新版），较之于GB10152-1997和JJG639—1998增设的参数计有：切片厚度（俯仰分辨力）、面积-周长测量误差、体积测量误差、M超性能、探头（尤其是腔内探头）的表面温度。毫无疑问，它们都需要新的手段。但请同道们放心，这些手段均有国产供应。

牛教授你好！读了你的文章受益非浅，解决了我们在工作中所遇到的疑惑，无疑，采用“有界声功率”的方法是最佳的了。
现阶段好多计量部门用的功率计并不是特别稳定，采用掩膜的方法，使我们所测得功率就更小了，极有可能被噪声淹没了。对于多数B超来说，在1cm2的面积下，所测到得功率在0.9~3.5mW之间，功率计末尾的变动和现场检定的条件限制，极有可能使我们得出错误的结论（因为，功率计的测量范围虽是0~100mW，但我们都知道，使用仪器时，最好是测量值处于仪器1/3~3/4量程范围）。
我用过几种功率计，个人认为还是敞口式功率计好，测出的功率值较大，末尾数字的变动对测量结果影响不大，虽说B超的声波未全部“打”在靶上，但利用B超的电子测量功能可以计算出来有多少打在了靶上，加以修正，结果不错。
当然，如果购买的掩膜能自己切割透声窗口，使声波全部打在反射靶上，那就最好不过了。
不知以上看法对不对，请指正！

（1）“掩模（不是掩膜）”一词借自体育项目“击剑”中的保护面具，英文词为mask，其实也可译为“护面”，但据说医疗器械的其它分支已译为“护面”，为一致起见，采用了这一译法。（2）大家担心加掩模后功率值更小，更加难测，是合乎逻辑的。不过，由于声输出标准的重大修改，今后遇到的应该会比以往明显升高。实际上，空间平均时间平均声强小于10mW/cm2的门坎只是计量部门的过时要求，国际和国家标准早已是IEC61157和GB16846。最新的IEC60601-2-37和GB9706.9，对声输出的表达已经不用声强、声压，而是由仪器本身自动换算为热指数、机械指数，在临床上由医生掌握，进口彩超几乎都是如此，国产彩超个别厂家已做到。在此情况下，用功率计测声输出以达计量执法的做法恐怕是个问题。实际上，在西方发达国家的在用超声器械监管中，所检测的仅限于性能指标，并不检声输出。（3）关于加掩模的理由，并不仅为防止“脱靶”，而首先是保持声线垂直于辐射力天平反射靶的横截面或吸收靶的平面，这是用辐射力求声功率的原理性要求，如为斜入射，公式就不成立了。

看来B超规程目前已经在不少问题，不知道什么时候能够跟上新标准的要求？

牛老师，你好。 我在你的帖子上有回复说使用超声功率计测量有效辐射面积所需要用到的掩膜，你有渠道提供。不知道你现在还可以供应么？ 我们公司还只是初创公司，主要研究领域是使用超声换能器所发射的超声波并配合声敏剂来治疗动脉粥样硬化，目前还在学习专标要求性能指标的测试方法，现在对国标以及相关的行业标准还存在着很多的疑问。 希望能够收到您的答复。