声透镜性能的评估工具的发展医学超声换能器

文摘

在医学超声换能器,传输模式(直通)方法被用来估计声透镜的特点。然而,很难测量声透镜特性精度高,因为人类的系统性、或机械测量错误。在本文中,我们提出一个低成本的估算工具声透镜属性与一个定制的数据库。在仪器、三轴和一个传输和材料设备准确传输和接收换能器分别对齐。通过开发仪器,我们获得一个精确的标准偏差的声透镜材料的衰减系数和速度为0.05 dB /厘米,2.62 m / s,分别。此外,同时对齐装置之间的可控与发达项目,从而产生非常准确的信息关于测试超声波换能器的声透镜。在我们的仪器,数据库可以有效地支持用户管理结果数据。用户程序使用虚拟仪器开发提供的能力获得精确的衰减系数和速度值,它代表的基本材料特征医学超声换能器的声透镜。发达的审查程序定制数据库也可以搜索声透镜信息并存储实验结果。

1。介绍

医学超声仪器已经广泛应用于无损检测、医学成像模式,和声音导航和测距应用程序(1- - - - - -4]。医学超声仪器通常是由医学成像系统和超声波传感器(5- - - - - -7]。单一或多脉冲电信号产生高压脉冲发生器电子传输的超声换能器产生声大国到目标介质(8]。反射和散射声信号应由医学超声换能器接收为了处理在医学成像系统(9]。医学成像系统由梁的前、信号处理器和图像显示5]。在医学成像系统,医学超声传感器检测到的弱回波信号通过信号处理器和图像处理器处理。最后,图像显示在图像显示,为了确定目标的结构信息(10,11]。

在医学超声仪器,医学超声换能器是一个最重要的设备,将电脉冲信号转换成声信号,反之亦然(12]。医学超声换能器影响医学成像系统的性能(10,13]。

图1阐述了医学超声换能器的基本结构(14]。使用声透镜聚焦超声束在目标距离和通常保护匹配层因为医学超声换能器没有声透镜可以直接接触目标(15,16]。匹配层,这是最重要的一个声学材料在医学超声换能器,用于传播尽可能多的超声波能量,通过匹配目标介质与压电材料(17]。压电材料是用来将电能转换成超声波能量,反之亦然(5]。支持层是用来吸收超声波能量向医疗成像系统(2,5]。

如前所述,机械材料,如声透镜,匹配层和支持层影响医学超声换能器的性能。材料的声阻抗是特定的机械阻抗材料在医学超声换能器,该值代表的声量(超声波)能量传输或反射通过一定媒介向目标(2]。

压电材料的速度是用来发现材料的声阻抗,即通过密度乘以速度,所描述的Dowsett et al。18]。 人工智能材料的声阻抗和D和V分别是材料的密度和速度。

超声波信号被认为是明显减弱,如果医学超声换能器声阻抗大,因为等传输介质的声阻抗失配水,空气,或油(10]。声透镜之间的声阻抗不匹配和匹配层也显著恶化超声波速度,增加医学超声换能器的能量损失(19]。声学材料的衰减系数可以帮助估计发射超声波吸收的数量在某些媒体19]。为了估计性能与多个压电材料在传感器制造、医学超声换能器设计使用仿真程序,如PiezoCAD PZFlex,现场II [20.,21]。速度和衰减系数是重要的机械参数因素来估计医学超声换能器性能仿真程序(2,19]。为了获得准确的数据的速度和衰减系数,我们构建了一个支持的声透镜性能的评估工具。

在这个工具中,我们构建了设备的传感器和测试声透镜材料获得的材料参数传输方法。每个夹具提供补偿的能力之间的不结盟传输和接收换能器。温度控制也利用为了保持一个常数超声波速度。工具还允许用户获取和存储速度和衰减系数数据自动以减少人为错误,帮助用户高效地搜索数据的数据库工具。此外,同时对齐装置之间的可控与开发项目。因此,我们的开发工具可以提供非常准确的校准装置,从而生成声透镜的准确信息。

2。方法

图2说明了发达的框图自动支持评估的工具医学超声换能器的声透镜的属性。首先,海浪声(超声波)产生的发射传感器不能准确地检测到接收换能器的机械误差的装置或内部扭构造工具。因此,发送、接收和提供材料设备调整传输和接收换能器在一起。第二,超声波波速与水温;因此,提供了一个温度控制器保持恒定的温度。超声波也反映了外国基质和减毒或受污染的水;因此,碎片过滤和消毒设备安装温度控制器的乐器。第三,一个自动使用虚拟仪器开发的数据库程序允许用户控制工具,如函数发生器,示波器,温度控制器,以减少人为错误和负载。这个项目还存储数据库中的结果数据自动分析医学超声换能器的声透镜性质。

2.1。夹具阶段

如图3夹具阶段由传输,接收、设备和材料。首先,只接收固定修复接收超声波换能器和可以移动的接收换能器Φ方向。发射换能器的发射装置可以移动的Z, Y,θ的方向。夹具的材料必须放置平行在Y方向上的接收装置,只有当材料夹具测试材料。材料后放置在夹具的材料平行于接收装置,传送装置将开始使材料与测试材料。如果只有一个传送夹具用于对齐,对齐是更方便的材料工具。因此,发射装置,发射换能器,只能是一致的θ方向与材料夹具和接收装置。这种结构可以弥补的不结盟情况测试材料,和传送装置的传感器可以提高接收超声波的信噪比。我们的夹具可调,尽量减少不必要的反射可能由于不当的定位夹具位置,这样我们可以获得的理想特征测试材料,如声透镜很小的尺寸。

超声波的速度可以一般温度变化改变了水。因此,如图3 (b)中,我们使用一个温度控制器(MZ4M,奥托尼克斯,韩国釜山)保持水温为36.5°C,因为医学超声换能器通常用来监测人体。泵(pm - 150点,Wilo,多特蒙德,德国)的温度控制器循环水箱的热水。

2.2。自动化程序

测量自动化程序的流程图描述在图4。在流程图中,参考波没有测试材料收集,然后收集优惠券波在示波器测试材料放置在夹具的材料。使用快速傅里叶变换(FFT)分析电脑,优惠券和参考波的大小和相位提取计算速度和衰减系数的声透镜材料在医学超声换能器。开发程序控制函数发生器(AFG3101C, Textronics、比佛顿或)和示波器(62有什么,公司技术,千橡市,美国)获得数据并显示在电脑显示器。此外,程序商店和检查数据使用mySQL数据库的软件工具。如前所述,这个程序使用GPIB-USB收集数据(NI GPIB-USB-HS、民族乐器、奥斯汀、TX,美国),分析速度和衰减系数,并保持一个恒定的水温与自动温度控制器。GPIB-USB-HS达到IEEE 488.2表演。IEEE 488.2的速度为1.8 MB / s,这是足以处理数据在我们的开发工具。

图5显示程序的图形用户界面。图5(一个)显示了原始波面板菜单。参考波显示当超声波发射换能器产生的,然后检测到接收换能器没有通过测试的材料。然后,显示了优惠券波时产生的超声波发射换能器通过测试材料附着在材料夹具,然后和减毒超声波检测到接收换能器。图5 (b)显示了“FFT分析”面板菜单。的光谱数据参考和优惠券使用FFT处理。的大小和相位数据参考和优惠券波显示,如图5 (b)。图5 (c)显示了“衰减”面板菜单。超声波的衰减系数和速度计算(参考和优惠券波)显示,如图5 (c)。图5 (d)显示了“Instr。设置”面板菜单。这个菜单包含用户定义的仪器设置,如触发设置,延迟,操作频率、幅值、脉冲类型和工作周期的输入信号。如图5 (e),声透镜数据审查程序(ALDRP)是一个工具,可以搜索日期、零件号,材料名称、序列号、密度和厚度的测试材料信息并显示结果如速度在数据库中。审查程序可以提供数据报告,用户可以轻松地使用搜索和比较不同的数据集。所有实验装置的数据参考和相关优惠券波可以存储在数据库的审查程序。

3所示。测量结果

3.1。参考波的变化

为了检查接收参考波的变化根据角(θ)改变传送夹具的开发工具,参考波用两个相同的浸没式传感器测量(V311-SU,奥林巴斯、新宿、东京、日本)安装在发射和接收装置。我们也保证有足够的空间来减少不必要的声学波动由于多个超声波干扰在近场区域,即使发射和接收装置之间的距离可以改变程序控制(10,22]。传送夹具的角变化范围是87°和93°之间。角的解析是0.5°。测量结果如图6(一)。

根据测量结果,传送装置的角度是89.5°时电压最高的峰。在图6 (b)、测量峰回波振幅检测到接收换能器的电压为0.854 V,当一个8 MHz和10 V_{p p}窄脉冲正弦函数发生器的应用。这些结果表明,可以减轻人类或系统性的扭力和错误的设备仪器。

3.2。仪器可重复性

为了检查仪器重复性,换能器(V311-SU)是用来测量2.54毫米的衰减系数和速度环氧声透镜材料的四倍。环氧树脂镜片材料选择,因为匹配材料是其中最典型的医学超声换能器的声透镜材料。工作频率范围的超声波测量8±2 MHz。衰减系数的方程(α)如下所示23]。 在哪里t是测试材料的厚度(毫米)一个_c优惠券波的振幅,一个_r是参考波的振幅。

图7(一)显示了计算接收超声波的衰减系数值。在图7(一)的平均衰减系数6 8和10 MHz是4.39,7.10,和9.62 dB。从图中的数据7(一),计算标准差是0.01,0.05,和0.09 dB /毫米,分别。接收超声波的速度(v(计算)24)如下: 在哪里w和t宽度和厚度的声透镜(dB /厘米),分别Δ吗Φ(ω)是频率相关参考波之间的相位差和优惠券波,和水的速度(v_w)是超声波速度在水中(1523.6 m / s, 36.5°C人体平均温度)。

图7 (b)显示了声环氧树脂镜片材料的平均速度。平均速度6 8和10 MHz的频率是1377.75,1376.25,和1382.00 m / s,分别和标准差是0.95,2.62,和1.41 m / s,分别。这些结果还表明的最大标准差接收超声波的衰减系数和速度6 8和10 MHz频率范围是0.21%,1.10%,0.55%和0.09%,0.27%,和0.14%,分别。因此,开发项目提供准确的仪器的重复性。

4所示。结论

开发低成本估算的乐器声透镜属性所获得精确的医学超声换能器的声透镜数据。同时对齐装置可以产生准确的声透镜数据之间的医学超声换能器的帮助下开发仪器自动数据库程序。该仪器可以提高超声波的测量重复性。恒温、灭菌和排列之间的传输和接收装置和材料夹具可以实现,从而减少人类和测量变异错误。

装置在任何方向可调,这些装置可以由硬件支持这些设备的分辨率是支持的硬件。特别是,发射装置可以控制角(θ)正确不结盟机械夹具的误差或内部引起的扭转的构建工具,因为优秀的标准偏差值的衰减系数和速度在8 MHz,确认为1.10%和0.27%。用户界面程序提供了函数之间传递函数发生器和示波器的乐器。

发达审查程序的连接定制数据库中可以搜索和保存各种资料信息和自动存储实验结果。仪器有助于减少用户的负载。发达国家支持的程序可以自动控制函数发生器和示波器。它自动计算获得的结果的仪器,它可以帮助用户搜索和查看结果数据。本文中描述的开发工具最近提供给西门子Healthineers,韩国和美国,目前用于医学超声研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢Editage服务编辑英语在这个科学论文。这项研究受到了韩国国家研究基金会联盟- 2015 r1c1a1a0237679。这项研究受到了基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由科技部,ICT和未来规划(2017 r1c1b1003606)。

引用

1. a . Carovac f . Smajlovic, d . Junuzovic“超声波在医学上的应用,Acta Informatica》,19卷,不。3,p。168年,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. t·l·萨博诊断超声成像:、学术出版社,2004年。
3. j .闪电战和g·辛普森超声无损检测的方法施普林格科学与商业媒体,柏林,德国,1995年。
4. j·j·伯恩斯坦,s . l . Finberg k .休斯顿et al .,“高频铁电声纳传感器,微型机械”IEEE超声学,铁电体和频率控制,44卷,不。5,960 - 969年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. f . w . Kremkau和f . Forsberg超声原理及仪器爱思唯尔健康科学,荷兰阿姆斯特丹,2015年。
6. 贾x, y、m .丁和m .优奇人”设计与分析分裂row-column解决二维传感器阵列,”传感器,16卷,不。10,1592年,页2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. y z . f .郑,他妈,h·h·金,问:周,和k . k . Shung”的旁瓣抑制近场波束形成方法超声阵列成像,”《美国声学学会杂志》上,卷137,不。5,2785 - 2790年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 问:Weibao, y Yanyan, t·f·亚强和s . Lei“多功能,可重构高频超声成像脉冲发生器,”IEEE超声学,铁电体和频率控制卷,59号7,1558 - 1567年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 崔h . m .黔金·m·g . et al .,“模拟宽带接收机架构高频超声波仪器,“医学成像和卫生信息学杂志》上》第六卷,没有。1,47-52,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. f·w·Kremkau超声诊断:原则和工具桑德斯,2006爱思唯尔。
11. k . k . Shung m·史密斯,b . m .崔医学成像原理、学术出版社、剑桥、马、美国、2012。
12. 崔h . p . c .哇,J.-Y。Yeom, c . Yoon“功率MOSFET的高电压功率放大器线性化电路高频回波脉冲仪器,“传感器,17卷,不。4 p。764年,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. j . m . Cannata j·a·威廉姆斯,问:周,t·a·里特和k . k . Shung”发展35-MHz piezo-composite超声医学成像阵列,”IEEE超声学,铁电体和频率控制,53卷,不。1,第236 - 224页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. c·r·希尔,j . c . Bamber, g·r·哈雾Eds。物理医学超声学的原则约翰·威利& Sons Inc .霍博肯,新泽西,美国,2004年。
15. k .中村超声波传感器:材料和设计的传感器、执行器和医疗应用程序瑞斯出版社,费城,宾夕法尼亚州,美国,2012年。
16. h . grug的“一系列小型磁通门传感器对于无损检测应用程序,”传感器和执行器:物理,卷106,不。1 - 3、326 - 328年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. b . p .朱w . k .郭g . z .沈问:周,和k . k . Shung”(111)的结构和电气性能(Pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃-PbZrO₃-PbTiO₃薄膜为超高频传感器应用程序。”IEEE超声学,铁电体和频率控制,卷。58岁的没有。9日,第1967 - 1962页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. d . Dowsett p·a·肯尼,r·e·约翰斯顿诊断成像的物理第二版,CRC出版社,2006年。
19. k . k . Shung超声诊断:成像和血流量测量泰勒和弗朗西斯,2006年美国佛罗里达州博卡拉顿的。
20. k·a·斯努克,学术界。胡、t·r·乔舒亚和k . k . Shung“高频超声波圆弧阵成像。第一部分:阵列设计和制造。”IEEE超声学,铁电体和频率控制,53卷,不。2、300 - 308年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. k . s . t .刘h . Li Wong et al .,“多个匹配方案宽带0.72 pb(毫克_1/3注_2/3阿)₃−0.28 pbtio₃单晶相控阵换能器。”应用物理杂志,卷105,不。9日,第094908条,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. t·l·萨博诊断超声成像:爱思唯尔学术出版社,伦敦,英国,2013年。
23. c . Zhang l·h·勒·r·郑,d .助教和e·卢”的测量超声波的慢波相速度和衰减细胞泡沫铝作为松质bone-mimicking幻影,”《美国声学学会杂志》上,卷129,不。5,3317 - 3326年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. k .希布斯r . j .利答:高贵,M.-X。唐,“超声波相速度的充盈™压力和泡沫浓度的函数,”2009年IEEE国际超声学研讨会(IUS),页1829 - 1832,罗马,意大利,2009年9月20 - 23日。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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