GB T 19890-2005 声学 高强度聚焦超声(HIFU)声功率和声场特性的测量.pdf

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1、ICS 17.140.01 A 59 道自中华人民=1:1二、和国国家标准-:i:品L严子GB/T 19890-2005 高强度聚焦超声(HIFU)声功率和声场特性的测量Acoustics-High intensity focused ultrasound (HIFU) measurements of acoustic power and field characteristics 2005-09-09发布中华人民共和国国家质量监督检验检菇总局中国国家标准化管理委员会2006-04-01实施发布GB/T 19890-2005 目次前言.皿引言.凹1 范围2 规范性引用文件3 术语和定义4 总则

2、5 测量系统的要求45. 1 辐射力天平系统的要求45. 2 水听器测量系统的要求45. 3 测量水槽的要求.5.4 对水和除气的要求.5. 5 对被测高强度聚焦系统的要求5. 6 对测量仪器的要求6 声功率测量方法86. 1 辐射力的测量86.2 声功率的计算87 声场特性的测量7. 1 测量准备工作7.2 水昕器的对准.7.3 测量步骤10参考文献I GB/T 19890-2005 前言本标准由中国科学院提出。本标准由全国声学标准化技术委员会CSAC/TC17)归口。本标准起草单位:上海交通大学、中国科学院声学研究所、同济大学声学研究所、中国船舶重工集团公司第七一五研究所、国家武汉医用超声

3、披仪器质量监督检测中心、元锡海鹰电子医疗系统有限公司科研所、重庆医科大学医学超声工程研究所、北京源德生物医学工程有限公司。本标准主要起草人:寿文德、夏荣民、黄小唯、朱厚卿、牛凤岐、钱梦属、王月兵、忙安石、耿晓鸣、李发琪、于晋生。而且GB/T 19890-2005 号|近十几年来,高强度聚焦超声(HIFU)治疗技术在国内外都取得了显著的进步。我国在HIFU的医学应用和产品制造方面发展很快。有多家企业的相关产品获准进入市场,并己正式用于医学临床。基础医学、临床医学和产品制造的快速发展,对高强度聚焦超声的基本声学特性测量标准化提出了迫切的要求。为促进HIFU技术的更好的发展,解决制定产品行业标准的急

4、需,在起草单位多年研究工作的基础上,制定了本标准。N 1 范围声学高强度聚焦超声(HIFU)声功率和声场特性的测量GB/T 19890-2005 本标准规定了o.5 MHz5 MHz频率范围内在水中的高强度聚焦超声(HIFU)声功率和声场特性参数的测量条件和方法。本标准适用于高强度聚焦超声系统。注1:本标准使用SI单位。在某些参数说明中,例如声束面积参数和声强参数,使用其他单位可能更方便。例如:声束面积单位可用cm2,声强单位可用W/cm或kW/cm。注2:本标准规定的测量范围:功率不大于500W;声强不大于5000W /cm , 2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准

5、的条款。凡是注日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。GB/T 3947-1996 声学名词术语3 术语和定义GB/T 3947-1996确定的以及下列术语和定义适用于本标准。3. 1 高强度聚焦超声high intensity focused ultrasound (HIFU) 用声学、电子学等方法,将超声束会聚到媒质中的狭小区域,形成声强高到足以引起剧烈的物理、化学、生物等效应的超声波。3.2 声强度sound intensity ,

6、acoustic intensity I 某一时刻,在声场中某点上,与质点速度方向垂直的单位面积上在单位时间内通过的声能称为瞬时声强。在稳态声场中,声强为瞬时声强在一定时间内的平均值。注:单位为W/cm,3.3 声压焦点pressure focus 整个声场中脉冲声压平方积分最大值所在的位置。在连续波条件下,为声场中声压最大有效值所在的位置。3.4 3.5 声压焦平面pressure focal plane 包含声压焦点并垂直于声束轴的平面。时间平均声强temporal average intensity 1, 声场中特定点瞬时声强的时间平均值。除非有特殊规定,取平均的时间为声重复周期的整数倍

7、。注:单位为W/cm,GB/T 19890-2005 3.6 焦域focal region 聚焦声场中包含焦点并具有下列性质的所有点构成的连续空间:在这些点处,时间平均声强(或声压有效值平方)大于或等于时间平均声强(或声压有效值平方)最大值的一个指定的百分数。对-3分贝或一6分贝焦域,指定的百分数分别是50%或25%。3. 7 -6 dB声束面积内时间平均声强的空间平均值temporal average intensity spatially averaged over the - 6 dB beam area 3.9 I皿注:对HIF单位为注:单位为Pa。3. 11 -6 dB焦域尺寸FWH

8、M 6 dB焦域在垂直于声束轴方l口束宽度和声束轴上的声压-6dB最大长度。注:单位为mm。3. 12 最大旁瓣级maximum side lobe level Lsm 空间平均值,即I,al= W - 6 dB / A - 6 dB , B声束面积。;尺寸,即声压焦平面内的最大6 dB声声压焦平面内声压的第二极极大值(次极大)与主瓣(主极大)声压极大值之比值,用分贝表示。注:单位为dB。3. 13 轴向次极大级axial secondary maximum level 2 L皿m在声束轴上声压第二最大值与(声轴)声压最大值的比值,用分贝表示。注:单位为dB。3.14 声焦距pressure

9、focal length Fpres GB/T 19890-2005 换能器有效辐射面至声压焦点的距离。一般可用声压焦点处水昕器接收到的声压信号与聚焦换能器的发射信号之间的声程差来表示。注:单位为ffiffio3.15 起声聚焦换能器的有预测的理想球面聚焦分布近似等效时,该理注:单位为mm203. 16 3. 17 声压聚焦增益Gpfocal 声工作频fawf 声压幅度对连续波注:单位为3.18 了各阶谐波分量。声量声压幅值的总均方根式中:户z一一第1次谐波声压分量幅值,单位为伏(V); H ; 第i次谐波声压分量与基波声压的幅度比值,H;=车;/1 n一一谐波声压分量的最高次数。4 总则tr

10、ansducer 能器焦平面上观察到的声压压平方积分的平着超声的传播还产生基频在内的所有谐波分. ( 1 ) 本标准规定采用辐射力法测量HIFU声源的声功率。鉴于声源形式的多样性,本标准给出了若干典型声源的声功率与吸收靶所受法向辐射力的关系式,以供估计测量不确定度时使用。3 GB/T 19890一2005本标准规定HIFU声场参数测量采用水昕器法,测定声场中的声压披形及其空间分布,再导出相应的声强和相关参数。依据测得的声场中声压分布,确定声场的声聚焦的几何参数。5 测量系统的要求5. 1 辐射力天平系统的要求5. 1. 1 靶的要求本标准推荐采用吸收靶,要求其声压反射系数5%;声压透射系数小于

11、10%。靶的面积足够大,其直径或最小尺度大于所截取平面内-26dB声束宽度的1.5倍。5. 1.2 靶的支撑(或悬吊)系统要求靶的支撑要有足够的稳定性,在测量中靶体的水平位移应足够小,不影响测量结果。保持靶面垂直于声束轴。5. 1.3 测力系统测力系统可采用电子天平或测力传感器系统。要求其测量精密度优于10-3N。5.2 水昕器测量系统的要求5.2. 1 水昕器的要求5.2. 1. 1 水昕器灵敏度的要求水昕器电缆末端的自由场电压灵敏度不低于10nV IPa。5.2.1.2 水昕器频带宽度要求在声工作频率的2倍频程范围内变化时,水昕器灵敏度的起伏应处于:f:6dB范围内。5.2.1.3 水昕器

12、指向性要求在声工作频率下,在声轴方向上声压6 dB主波束宽?:-7005.2.1.4 水昕器有效半径的确定测量。3dB和。-6dB ,用式(2)、(3)计算出a-3dB和a-6dB;用式(4)算出二者的算术平均值即水昕器的有效半径a1. 62 a-3 dB =函nO_3王 ( 2 ) 9,一币2-a 27m -Qd 一bh一一G . ( 3 ) =(hdB+川B). ( 4 ) 式中zh一一水中的声波数,单位为毫米分之一(mm-1); 。-3尬()-6dB一一一分别为测量水昕器指向性主瓣的一3dB和-6dB波束宽度角的一半。5.2. 1. 5 水昕器敏感元件的尺寸要求理论上,水昕器敏感元件的有

13、效半径应当与四分之一波长可比拟或小于四分之一波长。或其最大有效半径满足下式:Gmax=32均2十ai)川oal ( 5 ) 式中:.wf一一与声工作频率相对应的声波长,单位为毫米(mm);al一一超声换能器或换能器阵的有效半径,或其最大尺寸的一半,单位为毫米(mm);-一一水昕器与超声换能器表面间的距离,单位为毫米(mm)。5.2. 1. 6 水昕器的结性度水昕器的线性动态范围z至少在10MPa瞬态声压作用下保持线性的电压输出,非线性度失真小于10%。GB/T 19890-2005 5.2.2 水昕器安装调节夹具的要求水昕器安装调节夹具应能牢固夹持水昕器,能绕通过水昕器接收面中心并垂直于水听器

14、主声轴的两个正交轴线旋转,作方位角和俯仰角的调节,并保证调节中水昕器的接收面的中心不发生位移。5.2.3 水昕器夹具和支架的扫描和眼声要求保证水听器能定位在声压焦点附近,并可在垂直于被测换能器或换能器阵的声束轴的平面上士15mm范围内作直线步进扫描,步距O.Iawf。在声束轴方向上:l:25mm范围内作直线步进扫描,步距O.2awf 0 awf为声工作频率下的波长。步距准确度优于10m。要求在水昕器接收面周围的所有构件及水面采取充分的吸声措施,保证在测量过程中不产生影响测量结果的反射声信号。5.3 测量水槽的要求5.3.1 辐射力天平系统的测量水槽对于聚焦声柬向上传播的换能器系统,应将换能器或

15、换能器阵固定在水槽下方,调节其声束方向使其垂直向上。宜采用悬吊式吸收靶,靶的吊丝应尽量细,直接挂在电子天平底板孔内的测力挂钩上,测定吸收靶所受的法向辐射力。如图1所示。凶但也khF.D 1一一消声水槽;2一一吸收靶;3 聚焦换能器或换能器阵;4一一一吸声材料。固1采用吸收靶的辐射力天平系统(声束向上)对于聚焦声束向下的换能器系统,应采用适当的水中测力机构,如杠杆天平机构和力传感器,测定靶面向上的吸收靶所受的垂直向下的辐射力。如图2所示。无论哪种被测系统,都要求水槽尺寸足够大,采取足够的消声措施,防止边界反射的影响。保证整个换能器或换能器阵的辐射面完全浸没在水中,并可调整其声束对准吸收靶的几何中

16、心。5.3.2 水昕器测量系统的水槽与5.3.1规定的水槽要求相同,还须有足够大的水浴空间,以保证水昕器及其安装支架能在规定的空间范围对声场进行三维立体扫描,采集完整的声压波形分布数据。并采取良好的消声措施,以防止水槽内壁、底面与水面的边界反射波的干扰。水听器测量系统的基本配置图如图3和图4所示。5 GB/T 19890一20056 l一-消声水槽;2一-吸收靶;4 3一二聚焦换能器或换能器阵;5一4一二吸声材料;图3水昕器法测量声束向上的HIFU声场的配置1 消声2一吸收靶3二一聚焦换4-一吸声材5一水昕器10:a. 5.4 对水和除5.4.1 水质要要求采用纯5. 4.2 除气要求水槽中的

17、水必注意:除气处超标。5.4.3 水温要求水槽中的水保持在(235.5 对被测高强度聚焦系统5.5. 1 对被测高强度聚焦系统的话瞌度的要求在预热15min后,频率稳定度达到10-4/曲。5.5.2 对被测高强度聚焦系统的电功率稳定度的要求在预热15min后,电功率稳定度达到10%/4h。5.5.3 水昕器法对被测高强度聚焦系统的测量工作状态的要求为了保证测量水昕器的安全性和使用寿命,要求被测设备具有一个专用的脉冲测量工作状态。该状态要求:脉冲持续时间小于或等于100间,脉冲重复频率低于1kHz。5.6 对测量仪器的要求示波器的频率范围应高于10倍声工作频率,DC垂直增益精度为:1=2%满度。

18、具有存储和频谱分析功能。GB/T 19890-2005 X 3 超声波发生器7 GB/T 19890-2005 6 声功率测量方法6. 1 辐射力的测量采用图1和图2所示的装置测量辐射力。为了避免非线性和声流等对辐射力测量的影响,吸收靶的轴向位置应设置在偏离声焦点靠近声源处。吸收靶应垂直于声轴,靶心对准声轴,与换能器或换能器的表面中心的距离不大于O.7倍声压焦距为宜。测量前吸收靶应浸泡30min,仪器预热15mino 为减少热漂移的影响,应测量施加超声时与中断超声时天平示值的短时(2s3 s内)稳定值,二者之差即为吸收靶所受的法向辐射力F与重力加速度g的比值m。单位:kg。注意:当采用杠杆机构

19、时,电子天平测得的力应通过技准力霄比,换算成实际的吸收靶所壁的力。测量中应随时观察吸收靶和换能器表面,及时清除上面出现的小气泡。6.2 声功率的计算6.2.1 球面聚焦单元换能器的声功率计算式中:P一-声功率,单位为瓦(W); P-2Fc eh-d 一二1 + cos F 吸收靶所受的法向辐射力,单位为牛(N); c一-水的声速,单位为米每秒(m/s); 卢L聚焦换能器的半会聚角,单位为度C);一-一水的声衰减系数,单位为奈培每厘米(Np/cm); d一换能器表面中心与靶的距离,d=O.7Fpres单位为厘米(cm)。6.2.2 声源为中心开圆孔的球面聚焦单元换能器的声功率计算P = -,-=

20、:_: 【一COSl十COS2 式中:A 聚焦换能器的外孔径半会聚角,单位为度C); 品一聚焦换能器的中心内孔径半会聚角,单位为度C);d一一换能器的等效曲面中心至吸收靶的距离,单位为厘米(cm)。6.2.3 由活塞换能器阵元构成的聚焦阵的声功率计算. ( 6 ) .( 7 ) N个相同的活塞换能器离散分布在一个公共球面上,且每个换能器的声束轴相交于球面中心构成的聚焦阵。当每个换能器的发射声功率相同时,用下式计算声功率:8 P = NFc(corr)e2ad /习叫 ( B ) 式中:F二一所有活塞换能器作用于吸收靶面上总法向辐射力,单位为牛(N); e,-第i个单元活塞换能器的声束轴与阵的主

21、声轴的夹角,亦即该单元活塞换能器的声束对吸收靶面的入射角,单位为度C); corr一一因单个活塞换能器声场发散引人的平面波修正因数,即单个活塞换能器的Pl/cFl。P 1一1 (2ka) /缸corr一-= . cF 1 -J (缸)-(缸)( 9 ) 式中zk-圆波数,是=牛,单位为米分之一旷); a一-单元活塞换能器的敏感元件半径,单位为米(m); GB/T 19890-2005 10 ()一零阶Bessel函数f11 ()一一一阶Bessel函数。corr(ka)曲线参见图5。2 -, -,-.-T-、-r-,-, E . . .!. . -1-. .飞-j-j E t 。飞J. _.

22、._.l_.I. L._I E . E -_.-,-.-噜.-_. E -咱-.-E E .,. -,_.p-.,-,-, .,. -,.-,、-r -,. -1 -.-.; -_. - -:-t. -:-. r 4i -. _. _. _.J _.L. _ _. _. _.1 -.-_-_1. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. _. _ _ _. _ _ _ _._ _. _ _ _ _ _ _10 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _1 E .一。10 20 30 40 50 60 70 ka corr 平面波修正因子;是一一圆波数g

23、a一一单元活塞换能器敏感元件半径。固5活塞换能器声场的平面波修正因数6.2.4 由自聚焦换能器构成的聚焦阵的声功率计算N个相同的自聚焦换能器离散分布在一个公共球面上,每个换能器焦点与该球面的球心相重合,即共焦点同焦距。当每个换能器的发射声功率相同时,用下式计算声功率:A o nZH / 石Uhk-m 川一中一P 、,Fnu -,、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 式中:F一一所有聚焦换能器作用于吸收靶面上总法向辐射力,单位为牛(N); p 单个聚焦换能器的半会聚角,单位为度C); 8; 第i个单元活塞换能器的声束

24、轴与阵的主声轴的夹角,亦即该单元活塞换能器的声束对吸收靶面的入射角,单位为度C); 7 声场特性的测量7_ 1 测量准备工作按图3或图4所安排仪器配置。测量前应清除换能器和水听器表面的污物,并在清水中浸泡30 min,仪器预热15min.确保测量过程中其表面无气泡。被测设备预设工作状态可取小功率输出状态。7.2 水昕器的对准反复调节水听器扫描机构和水听器的方位俯仰角,同时调节聚焦换能器的两个方向角,可令水昕器的声轴与聚焦换能器或换能器阵的主声轴处于声学共轴状态,还要求该共同声轴与水昕器移动的某一GB/T 19890-2005 坐标轴(如Z轴)平行。将水昕器沿共同声轴移动,可以找到被测系统的声压

25、焦点位置。7.3 测量步骤7.3. 1 声压参数和导出声强测量7. 3. 1. 1 声压最大值(P+,p_)测量将水昕器定位到声焦点处,可测得最大正声压扣和最大负声压一+ = I U + max I / M L p - = I U - max I / ML 式中:7. 3. 1. 4 - 6 dB 令水昕器在效值大于或等于仪测得声工作频率。7.3. 1. 2 声工作频率(fawf)将水昕器测得的瞬时7.3. 1. 3 空间峰值声由声焦点处测得式中:p一一C一-一-平面内声压有1,1 : 、,9年14 /t飞. . . . . . . . . . . . . 式中:N一一在声压焦平数目。7.3.

26、 2 聚焦参数测量7.3. 2. 1 - 6 dB焦域尺寸(FWHM)在测量1501过程中,通过水听器扫描的F P1. 5, F pes = c!:,. t ( 15 ) 的条件下,总有效辐P ;=U;/M L; ,式中U;为基波和各谐波的水昕器接收电压,ML;为对应于基波频率与各谐波频率的水昕器灵敏度值。7.3.4 线性动态范围的确定将被测水听器置于高强度聚焦超声的声压焦点处,在声工作频率下逐步加大换能器的激励电压,测量激励电压UT和水昕器输出电压UH的关系。用最小二乘法作出UH-UT关系的拟合直线,求解其线性度,可知水听器的线性动态范围。11 GB/T 19890-2005 参考文献lJ

27、Gerald R Harris , Medical ultrasound exposure measurement: update on devices , methods , and problems, proc. 1999 IEEE Ultrasonics symposium, pp.1341-1352. 2J C. R. Hill , 1. Rivens , M. G. Vaughan , and G. R. ter Haar , Lesion development in focused ul trasound surgery: A general model, Ultrasound

28、in Med. &. Biol. , vol. 20 , pp. 259-269 , 1994. 3J L. Chen, G. R. ter Haar , D. Robertson, J. P. M. Bensted, and C. R. Hill , Histological study of normal and tumor-bearing liver treated with focused ultrasound , Ultrasound in Med. &. Biol. , vol. 25 , pp847-856 , 1999. 4J R. C. Preston, Ed. Output

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30、, pp , 115-118. 6J IEC 61161Ultrasonic power measurement (Draft revision) 87 WG8 (Beissner) 16 Jan 2002. 7J IEC 61102: 1991 Acoustics-Measurement and characterization of ultrasonic field using hydrophone in the frequency range O. 5 MHz to 15 MHz. 8J IEC 61161: 1992 , Ultrasonic power measurement in

31、liquid in the frequency range O. 5 MHz to 25 MHz. 9 J IEC 61220: 1993 Guidance for measurement and characterization of ultrasonic fields generated by medical ultrasonic equipment using hydrophones in the frequency range O. 5 MHz to 15 MHz. 10J IEC 61101: 1991 , The absolute calibration of hydrophone

32、s using the planar scanning technique in the frequency range 0.5 MHz to 15 MHz. 11J IEC 60866: 1987 Characteristics and calibration of hydrophones for operation in the frequency range O. 5 MHz to 15 MHz. 12J IEC 61689: 1996 Ultrasonics-Physiotheraphy system-performance requirement and methods of mea

33、surement in the frequency range o. 5 MHz to 5 MHz. 13J IEC 61828:2001 Ultrasonics-Focusing transducers-Definitions and measurement methods for the transmitted fields. 14J GB/T 7966-1987 声学O.510 MHz频率范围内超声声功率的测量。15J GB/T 16540-1996 声学在O.515 MHz频率范围内的超声场特性及其测量水昕器法(eqvIEC 61102: 1991)。16J寿文德,王一抗,钱德初等,聚

34、焦超声的辐射力计算与高强度聚焦超声功率测量实验,声学技术,1998 ,17(4):145 1470 12 mOON-o白FH阁。华人民共和国家标准高强度聚焦超声(HIFU)声功率和声场特性的测量GB/T 19890 -2005 国中雪去=.u.t.F固守二4呼中国标准出版社出版发行北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销9导印*1. 25 字数28千字2006年2月第一次印刷开本880X12301/16 2006年2月第-版i9峰定价13.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533书号:155066. 1-26918 GB/T 19890-2005

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