• 运用范畴
该研讨为杂乱医学超声传感器的规划与超声场主动丈量剖析及参数建模范畴
• 应战
为了习惯人体安排结构的特色，医学超声换能器的规划正向复合声场方面展开，杂乱超声场的丈量与建模是业界公认的难题。传统的超声场丈量信号收集功率低，不能进行信号的主动收集剖析，更不能满意杂乱超声场的参数评价与精确建模，约束了杂乱医用超声换能器的规划与运用。为了习惯杂乱超声换能器规划和运用的要求，迫切需求研讨一种合适杂乱超声场信号的主动检测与剖析体系，以处理杂乱超声场的核算建模及实践丈量中存在的诸多困难。
• 处理计划
以凌华科技PCI-9846高速数字化仪为中心，组合前置扩大器与水听器，用LabVIEW开发高效声场信号收集体系，通过高效的数据收集模块，将三维声场的声压数据实时显现和保存。规划、制造步进电机驱动的四轴精细工业机器人体系，开发主动操控与主动丈量体系，完结超声场恣意部位的立体定位，完结机器人丈量点主动定位操控和数据收集之间的和谐。开发声场丈量数据的回放及多功用归纳剖析体系，可视化显现成果。
1. 运用布景
医用超声确诊和医治设备已经成为医疗卫生事业中不可或缺的组成，尤其是对患者的健康日子起着重要的作用。在超声确诊和医治中都离不开超声换能器这一重要的器材。因而对其声场特性和频率等功用的精确测定，需求引起超声设备研讨人员和换能器出产单位的满意注重。现在国内对声换能器功用的全面测验还没有遍及，尤其是与国外产品比较，有的制造者不能对其出产的换能器供给牢靠的功用数据，价格，功用，安稳程度的间隔不小，成为国内超声换能器设备研制和出产工艺的瓶颈［1］。
面对杂乱的医疗临床要求，超声设备对换能器的选型和规划的要求也越来越高，而在运用进程中，因为压电资料本身的特性和其它原因，如温度改变大，保存不标准和操作失误等，有可能使换能器功用受损。如果在这种不知情的情况下持续运用，简单形成医疗事故和漏检等，其医治和确诊作用的牢靠性都很难确保，带来的成果和丢掉也无法想象，因而急需规划合理检测超声换能器声场特性的体系和计划。超声的物理特性研讨是超声生物效应研讨的根底，跟着超声技能运用更广泛，现在国内外展开了许多对超声辐射的生物效应的研讨课题，特别是如换能器频率，输出功率，辐射时刻等是怎么与安排相互作用的，这方面取得了许多的研讨成果，超声辐射场的特性也倍受人们的注重。尽管超声工程中各种新技能不断展开，可是可视化成像技能和核算机运用仍然是医学超声工程中的单薄缓解，因而需求在硬件设备和软件开发的根底上自主立异，加速超声场的丈量和建模仿真的研讨。
生物医学超声工程中对超生辐射声场特性的研讨，首要包含两个方面：一方面开发依据核算机辅佐核算的仿真软件上，另一方面研讨进行超声实践丈量的多功用体系。现在生物医学超声的主动检测体系还不多见，超声的主动检测首要是运用于工业探伤检测，如浙江大学开发的无损检测工艺拟定专家体系（CAPPNDT） ［2］，冶金部压力容器检测站研制的无损检测的专用软件NDTS［3］等，将机电一体化的主动操控技能运用于超声信号的收集，量化处理的研制。尽管现在针对医疗超声技能运用的超声丈量和仿真体系的理论研讨还罕见报导，但也有一些公司研制相关的超声医疗设备，如fluke的Sonora超声声场检测体系等。
2.面对的问题
尽管现在对超声换能器声场功用的丈量进行了许多研讨工作，可是丈量进程中遍及运用示波器人工办法，功率低，机械化程度差，人为差错大，严重影响了检测成果的精确性和可信性。跟着超声设备在医学确诊和医治中的运用越来越广泛，对超声换能器的功用要求更多元化和精确化。
为了习惯人体安排结构的特色，医学超声换能器的规划正向复合声场方面展开，杂乱超声场的丈量与建模是业界公认的难题。特别关于组合阵列换能器和复频率换能器的规划和测验评价中，通过先进的超声场主动检测技能能够节约检测时刻和经费；别的，因为医疗运用中传达超声的介质是生理资料，具有特殊性如非均质和各向异性的需求，对超声波确诊和医治中换能器运用的计划和参数规划提出了更高的要求，因而，有必要对超声换能器发射声场的物理作用作深化的研讨。传统的超声场丈量信号收集功率低，不能进行信号的主动收集剖析，更不能满意杂乱超声场的参数评价与精确建模，约束了杂乱医用超声换能器的规划与运用。为了习惯杂乱超声换能器规划和运用的要求，迫切需求研讨一种合适杂乱超声场信号的主动检测与剖析体系，以处理杂乱超声场的核算建模及实践丈量中存在的诸多困难。
3. 处理计划
本文规划和开发以凌华科技PCI-9846高速数字化仪为信息收会集心，组合前置扩大器与检测传感器，用LabVIEW开发高效声场信号主动收集与剖析体系，通过高效的数据收集模块，将三维声场的声压数据实时显现和保存。规划、制造步进电机驱动的四轴精细工业机器人体系，开发主动操控与主动丈量体系，完结超声场恣意部位的立体定位与数据收集之间的和谐。开发声场丈量数据的回放及多功用归纳剖析体系，可视化成果显现。完结超声换能器功用目标的快速精确地丈量，并树立超声辐射场的建模仿真剖析体系，以减轻丈量人员的劳动强度，缩短计量检定的工作时刻，进步超声换能器规划和运用的标准化，标准化和成果的可信度。
3.1 超声信号收集与剖析
1）信号收集单元：超声信号收集以高速数据收集卡为中心，联合前置扩大器与信号收集传感器，再经核算机渠道的信号收集软件完结信号的收集。
在超声信号收会集，运用宽带灵敏度较好的水听器接纳微伏级的电压信号，然后选用带通滤波挑选收集的频率规模，再经前置扩大器扩大后进预处理，由高速数据收集卡A/D转化输入核算机中保存和显现。收集进程中，采样频率和带宽是重要目标。带宽一般是取频率谱的-3dB带宽，或许功率谱上的半功率点为信号带宽。超声信号收集的带宽直接影响整个设备的总分辩率，灵敏度和信噪比等。带宽规模大能够使接纳到的信号频谱丰厚，高频重量丢掉小，波形失真小。在医用超声设备中，要尽量使用超声发射和接纳换能器带宽，进步分辩力，一起又具有较高灵敏度和信噪比，使发射和收集电路的带宽要大于超声换能器的带宽［4］。收集的信号频谱确定在5M以下。信号收集计划原理图见图3-1。
2）首要设备选型
高速数据收集卡选用凌华科技科技高速高分辩数字化仪PCI-9846H，它具有4通道16位高精度、40MS/s的采样率，具有低噪音及高动态规模功用，信号收集精度及密度高，可广泛运用与中频信号、雷达运用、光达运用、超声波信号以及无损伤检测方面。该数字化仪完全能够满意运用需求。
水听器选用海鹰ZS-500型针式水听器频率响应规模100K-5M。常用的超声信号收集传感器有PVDF薄膜型和针式水听器［5］，因为薄膜型水听器在空间分辩率低，并且存在边缘效应，受温度约束等特色，本研讨丈量办法是高密度逐点主动扫描法，因而挑选针式水听器作为信号收集传感器，直径小于1mm，具有灵敏度高级特色。前置扩大器选用鹏翔科技PXPA Ⅳ声信号收集扩大器，该扩大器带宽规模为15k-2M、低噪音增益40dB，完全能够满意超声信号收集的前置扩大要求。
3）超声信号剖析
对超声瞬态的时域信号进行频谱剖析时，确保信号处理中不会产生失真。为了削弱有限采样长度的超声波信号形成“走漏”现象，能够通过加时刻窗函数的办法，有用避免频谱混叠，还能够按捺噪声，进步频率辨认才能。调理超声发射换能器和水听器的间隔，坚持换能器轴线和回波声束共轴；调整外表回波信号的采样频率和采样点数，通过模仿数字数据离散处理，对采样的点数进行FFT转化；依据测得的波形起伏数据，经处理后，画出负载的频率响应曲线；核算超声换能器的频率特性参数，如中心频率。丈量声场的要害参数包含声压，声强和声焦域等，相应描绘声场的基本形式首要有轴线声压曲线图，焦平面径向声压曲线图，焦平面声场。在声场丈量中会生成海量的数据，需求使用可视化技能。该技能将杂乱的核算和仿真成果用具体形象的图形方法表明，加深了对数据的了解和规则剖析，进步了处理功率，能够剖析实验进程的改变，LabVIEW可视化技能为杂乱超声换能器的剖析和规划供给了有力的东西［6］。
3.2 超声场主动丈量定位
整个丈量进程的操控和丈量点的定位是由一个成都海葳科技直角坐标机器人完结，其中将运动操控和数据收集模块有机地联络在一起，一方面操控机械臂带动水听器作主动扫描运动，另一方面操控信号收集模块收集信号，并对收集的数据进行后处理和可视化显现。整个主动操控渠道是用LabVIEW体系开发，结合操控和丈量的硬件，树立人机交互界面，完结对硬件的操控，数据剖析和显现。主动丈量操控渠道的结构见图3-2。
