[转帖]医用超声线阵换能器的测试方法

医用超声线阵换能器的测试方法 超声测量在医学超声领域占有重要地位。长期以来，我国超声检测换能器未曾建立标准。测试方法和参数很多，不胜枚举，多数不能同时从电学和声学角度进行考虑［1］。且多为成品测试和单探头测试。本文描述了对多元线阵换能器在测量方法上作的一些探索，提出了同时进行完整性测试、一致性测试和独立性测试的见解，并列出了测量结果，其中包括对半成品的测试结果，通过这些测试结果，可以评价线阵换能器制作水平的高低，可在制作过程中对关键工序进行监控。测试过程是非相关的。每次测量是对所有阵元的逐一扫描测量。MASAOIDE等人对电子线阵进行测试［2］，其方法实际上是逐一扫描法。64阵元线阵换能器以及有机玻璃模似试块是作者制作的。测量装置主要有频率特性测试仪、脉冲激励信号源、示波器。通过对频率特性和回波特性的测试，以期达到同时从电学和声学角度对线阵换能器的性能进行反映的目的。 1　测试方法 　　目前评价线阵换能器的性能优劣，主要还是通过与整机相联“打”人体(或模拟块)，观察图像情况来判断，这种测试方法虽然很直观，却存在下列弊病： 　　(1)　模糊性：不能用数据说话。 　　(2)　相关性：探头与主机相联，如果有问题，不容易判断是哪个造成的。 　　(3)　不可逆性：由于不能在制作过程中进行测控，等到灌封好以后，联机检查发现问题，已不可能改变，耽误了时间，又造成了原材料的浪费，制作过程中带有很大的盲目性。 　　为了解决这些问题，必需采取非相关的、能定量的方法对半成品和成品线阵换能器进行测试。 　　线阵换能器扫描方法是一组振子的延时组合振动，组成一根声线，并一个接一个地顺序移动，形成许多根声线，组成一幅扫查面。 　　从线阵换能器的工作原理，我们可以得出这样的结论： 　　(1)　要得到一幅完整的扫查面，就不能缺线，每组振子都要能工作。 　　(2)　每组振子的性能要一致。 　　(3)　一组振子工作时，其它应该不工作，要按顺序工作。 　　由此，形成了进行完整性测试、一致性测试、独立性测试的方法。 1.1　完整性测试 　　完整性测试就是对所有阵元逐一进行测量，检查每个阵元是否都能正常工作。由于谐振频率特性是压电振子的特征，若没有谐振特性则表明振子处于不正常状态；同样如果压电振子能发射、接收到，一定会观察到回波，所以我们选择有无谐振特性和回波作为检查压电振子是否能正常工作的标志。 　　线阵换能器是由许多个单元振子排列而成的，每个振子的性能直接影响线阵换能器的性能，如果某一个振子开路、短路或在操作过程中由于碰撞造成压电陶瓷振子的损坏，都会使振子不工作，造成短路以至缺线的情况，声像图就会形成垂直方向的长条状暗区，所以完整性测试是必要的、首选的测试项目。 1.2　一致性测试 　　在临床上为了得到高质量的声像图，要求线阵换能器所有阵元的性能具有高度的一致性。这些性能包括波谱特性(如最大响应频率、波束宽度、回波脉宽等)、发射特性(如发射电压响应级)、接收特性(如脉冲回波灵敏度级)以及电阻抗特性等。将每个阵元的这些特性依次标注在座标纸上能形成一致性图，这些图一目了然地告诉我们线阵换能器的一致性。 　　为了便于工艺过程中的一致性测量，我们在电学上选择频率谐振特性作一致性测量，在声学上选择始波宽度和回波数作一致性测量，以表征压电振子、面材、背材制作的一致性和灵敏度的一致性。 1.3　独立性测试 　　在理想的情况下，阵元的工作状态是独立的、互不相干的。在发射状态，要一个阵元发射与其它阵元无关的声场，在接收状态，只输出与它表面所对应的独立的电信号。而实际上这种情况是很难做到的，阵元间的耦合多少总是存在的。耦合主要分为机械耦合和电磁耦合。两者之间关系不大，机械耦合小，电磁耦合不一定小；反之，电磁耦合小，机械耦合不一定小，因此，我们在这两个方面都要作独立性测试。 2　测量程序 2.1　完整性测试 　　(1)　谐振性测试：按图1所示方法测量每个阵元，其频率特性曲线如图2(a)，如果发现特性曲线如图2(b)或图2(c)，则表明该阵元开路或短路。 图1　频率特性测试示意图 图2　(a)典型的频率特性(b)开路时频率特性(c)短路时频率特性 　　(2)　始波：按如图3(a)所示的方法对所有阵元进行测试，如果发现没有始波，则表明该振子不能正常工作。 　　如果完整性测试正常，则进入下一道测试，完整性测试也可作为一种粗测或快速检查法。 2.2　一致性测试 　　(1)　谐振频率：按图1所示方法对所有阵元进行测试，并记录每个阵元的谐振频率，然后画出一致性曲线。 　　(2)　始波：按图3(a)所示方法对所有阵元进行测试，并记录每个阵元的始波宽度。 　　(3)　回波数：按图3(b)所示方法对所有阵元进行测试，并记录下每个阵元的回波数。 图3　回波特性测试曲线示意图 (a)测始波　(b)测回波数 2.3　独立性测试 　　(1)　电磁耦合：按图4所示方法对所有阵元进行测试，这时显示的波形(如图5)即表示电磁耦合的情况，电磁耦合峰值越高，则电磁耦合越大，理想情况下，电磁耦合峰消失，记录电磁耦合峰幅度。 图4　电磁耦合测量示意图 图5　电磁耦合频率特性曲线 　　(2)　机械耦合：按图6所示方法对所有阵元进行测试，将A超仪产生的激励脉冲加在阵元A上，然后用示波器分别观察两侧相邻的BB′、阵元的波形，如图7，并记录激励脉冲和相邻阵元上的波峰电压V1、V2。 l图6　机械耦合测量示意图 图7　机械耦合测量电压波形 　　(3)　验证：图8是将成品线阵换能器与整机相联，验证独立性测试结果。在换能器上涂上少量耦合剂，然后将一金属圆柱体贴放在上面，沿换能器长轴方向缓慢移动，如图9(a)，同时在屏幕上可观察到一条垂直的亮束，沿水平方向缓慢移动，如图9(b)，其两侧边缘清晰，则表明阵元独立性强，反之，若边缘模糊，(或横向有“窜音”现象)，则表明阵元独立性弱(或差)。 图8　线阵换能器独立性的联机测试示意图 图9　线阵换能器独立性的联机测试过程示意图 3　测试结果 　　在20个线阵换能器的生产过程中，由于指标明确，操作简便，使得我们可以迅速地对每个换能器的每个阵元进行测量，我们同时用三种测试方法对每一道关键工序进行测控，发现开路、短路、电磁耦合或机械耦合过强，则及时采取措施，加以解决。表1是三个线阵换能器的测试结果。 表1　三个线阵换能器的测试结果 测试指数 换能器序号 单位 2＃ 10＃ 18＃ 完整性测试 谐振峰 　 全有 全有 全有 始波 MHz 全有 全有 全有 一致性测试 谐振频率 最大误差范围 MHz 2.5 2.25 2.75 MHz ±0.25 ±0.25 ±0.25 始波宽度 最大误差范围 格 1 1 1.8 格 0.1 0.1 0.1 回波数 误差 个 2 2 2 个 0 0 0 独立性测试 电磁耦合峰值幅度 格 ＜0.5 ＜0.5 ＜0.5 机械耦合特性20LgV2/V1 Db ＜-38 ＜-36 ＜-40 联机验证“窜音” 　 无 无 无 4　结论 　　对线阵换能器同时进行完整性测试、一致性测试、独立性测试是必要的、切实可行的。本测试方法同时从电学和回波特性对线阵换能器进行测试，并可在制作过程中对关键工序进行测控，使成品率明显提高，本测试以数据说话，是建立在科学实验的基础上的。 　　尽管选择测量装置和测量参数有一定的局限性，但测试的思想方法具有开放性，可从完整性测试、一致性测试、独立性测试三个方面作进一步的补充，进而融合其它的测试方法，对其它参数进行测试，以全面反映图象的层次、轮廓、光点粗细、均匀一致等性质，从而对整个切面图象进行完整的描述 深圳泰普锐电子技术有限公司 专业维修B超探头 王军 13684906716

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