應用LabVlEW的聚焦聲場測量系統

江 湛，白景峰，余 瑛

1 上海交通大學生物醫學工程學院生物醫學儀器研究所，上海市， 200030

2 上海交通大學Med-X研究院，上海市，200030

應用LabVlEW的聚焦聲場測量系統

【作 者】江 湛1,2，白景峰1,2，余 瑛1,2

1 上海交通大學生物醫學工程學院生物醫學儀器研究所，上海市， 200030

2 上海交通大學Med-X研究院，上海市，200030

該文根據聚焦聲場測量的要求，應用LabVIEW虛擬儀器平臺建立了一個聚焦聲場測量系統。該系統能夠自動尋找聚焦聲場的焦點位置，并根據焦域的大小調整掃描路徑，三維聲場掃描時間從均勻步長的888 h減少到變步長的9.25 h，提高了聲場測量效率。理論計算與系統測量結果存在一定偏差，其中焦平面-6 dB 寬度差異率為3.691%，聲束軸-6 dB長度的差異率為12.937%。

聲場測量；系統軟件；LabVIEW

0 引言

20世紀90年代以來高強度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound)逐漸發展為一項極具發展潛力的無創腫瘤治療手段。高強度聚焦超聲利用超聲聲能在體內轉換為熱能，通過將超聲波波束聚焦于靶組織的，在靶組織內形成一個能量可高達500 W/cm2的區域。聲能在靶區內轉換為熱能，令靶組織在(0.5～5) s的時間內迅速升溫至60oC以上，從而使靶組織的細胞迅速發生熱變性和壞死[1]。高強度聚焦超聲系統的三維聲場分布是衡量其治療探頭設計與制造工藝、治療效果好壞的關鍵因素，也是衡量設備安全性與效率的重要指標[2]，對治療計劃的制定也有著重要的參考意義[3]。因此，對高強度聚焦超聲系統的聲場測量是研究高強度聚焦超聲技術的重要環節。

本文設計研發了一套應用LabVIEW的聚焦聲場測量系統。該系統控制水聽器按用戶指定路徑自動化的測量三維聲場的分布情況，并可實時重建出二維聲場分布圖。使用本文研發的聲場測量系統對相控聚焦超聲聲場分布進行了測量，并將測量結果與理論仿真的聲場分布進行了對比。

1 聚焦聲場測量系統

聚焦超聲聲場測量參數包括聲功率、聲壓、聲強和焦域尺寸等。目前聲功率的主要測量方法有輻射力法、量熱法和聲光衍射法等，聲場中各處的聲強和聲壓以及焦域尺寸主要通過水聽器法來測量[4]。

水聽器可分為壓電水聽器和光纖水聽器。本文使用的是PT材料制成的壓電水聽器。當壓電材料被超聲照射時，聲壓引起壓電材料內部電荷分布的變化，這種變化使得壓電材料兩端出現相應的電勢差。通過前置放大器以及后續的信號處理電路，就可使超聲的幅值和頻率等聲學信息以電壓信號的形式表現出來。

本文研發的超聲聲場測量系統通過PC上位機控制外圍硬件，控制水聽器按用戶指定的路徑在三維聲

場中進行移動，由數字示波器對水聽器在每點處的電壓波形進行采集，通過USB接口傳送給PC機進行信號存儲、聲壓與聲強的計算、三維聲場分布的重建。

本文研發的聚焦聲場測量系統采用水聽器法對聚焦超聲聲場進行測量。使用水聽器逐點掃描聲場得到聚焦超聲聲場各點的聲壓，計算出聚焦超聲聲場的分布及其大小，并實時顯示。

1.1 硬件系統

基于LabVIEW的聚焦聲場測量系統的硬件系統構架如圖1所示，包括水聽器、數字示波器、步進電機、上位機以及測量水槽等部分。

圖1 聲場測量系統硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of Sound fi eld measurement system

(1) 水聽器 采用中國科學院聲學研究所研制的PT探針式水聽器。傳感器有效直徑0.8 mm，末端為BNC插頭，可連接到示波器或信號采集卡進行波形采集和記錄。水聽器經中國科學院聲學研究所校準，在1.36 MHz頻率下靈敏度為0.11 mv/Pa。最大測量聲壓為40 MPa。

(2) 數字示波器 采用Agilent MSO-X 2012A數字示波器。該示波器的最大采樣率2 GSa/s，帶寬100 MHz。該示波器帶有USB接口和GPIB接口，本文設計的聲場測量系統使用速度更快的USB接口完成示波器與PC機之間的通訊。

(3) 步進電機 使用北京卓立漢光生產的MC400位移臺控制箱控制的KSA050-11系列高精度電控位移臺。MC400位移臺控制箱通過RS-232接口與PC機進行通訊，接受上位機的位移指令，并將當前位置返送給PC機。KSA050-11系列高精度電控位移臺的移動范圍為50 mm，分辨率為2.5 μm，最大速度40 mm/s。

(4) 測量水槽 測量水槽為橫截面為正方形的立方體，橫切面邊長為450 mm，高為290 mm。高強度聚焦超聲換能器位于測量水槽底部中央，向上發射超聲波。測量水槽四壁鋪設有海綿。為減小反射波對聲場測量的影響，在水聽器周圍放置有吸聲橡膠制成的聲吸收體。吸聲橡膠采用牛鳳岐教授主持研制的UA-1 型吸聲內襯。聲吸收體尺寸為(150×150) mm2的正方形板面，厚度(自底面至條棱尖端)約5 mm。在(0.5～5) MHz頻段水中正入射的超聲波回聲降低達(20～40) dB，吸聲系數為99 %～99.5 %。

1.2 軟件系統

本文設計的聚焦聲場掃描系統軟件采用LabVIEW平臺進行編寫。LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言[5]。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而LabVIEW則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。LabVIEW集成了可滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。因此在LabVIEW環境之下進行軟件開發，可以不必開發與Agilent MSO-X 2012A數字示波器以及MC400位移臺控制箱進行通訊的通訊接口代碼，而把精力集中到實現系統功能上來。

系統實現了數據采集處理、數據存儲、自動尋找聲場焦點位置，自動三維聲場掃描，聲場分布重建等功能。

根據聲場測量需求，系統進行聲場掃描的過程可分為三個步驟。

(1) 系統初始化 系統初始化包括軟件初始化和硬件初始化。軟件初始化主要包括用戶界面初始化和內部變量初始化等；硬件初始化主要包括步進電機的復位，歸零，狀態監測等。

(2) 焦點定位 焦點定位是根據聚焦聲場的特點，通過尋找掃描路徑上的最大聲壓值點的位置來確定焦點位置。系統先在XY平面上用較大步長進行大范圍二維掃描，并定位出聲壓最大值點的位置，再以該點為中心使用較小步長進行較小范圍的二維掃描，確定出該平面上聲壓最大值點的位置。最后以該點為中心，沿Z軸進行掃描。Z軸掃描得到的聲強最大值點即為系統尋找到的聲場焦點。在尋找聲場焦點過程中用到的掃描步長和掃描范圍等參數可根據所測量聲場的理論仿真結果進行調整。

(3) 聲場掃描 系統按照用戶設定的掃描路徑進行

逐點掃描。將掃描結果實時的保存到上位機的硬盤之中，這樣可以保證在出現意外情況導致掃描終止時，已獲取的掃描數據不會丟失。

在測量過程中，系統可以全自動化的完成水聽器的移動、水聽器位置確認、測量數據讀取，數據有效性校驗、多次重復測量以及數據保存等功能。整個測量過程完全由系統自主進行，無須操作人員干預，具有一定的智能處理能力和較高的自動化水平。

系統軟件采用模塊化的編程方法，將系統軟件所需的主要功能分成初始化模塊、步進電機控制模塊、數據采集處理模塊和掃描路徑指令生成模塊分別實現。完成各功能模塊的設計之后，系統軟件根據測量流程調用各功能模塊實現所需功能。

(1) 初始化模塊

初始化模塊的功能是將對程序內的各變量和各外圍設備進行初始化。保證超聲聲場自動掃描測量系統做好進行聲場掃描的準備。初始化模塊內完成的主要操作有：初始化與示波器及步進電機通訊的端口、設定步進電機的初始位置和設定步進電機的移動速度等。

(2) 步進電機控制模塊

步進電機控制模塊是由步進電機移動子模塊和步進電機位置查詢子模塊兩個獨立的子模塊組成。步進電機移動子模塊負責設定步進電機移動的目標位置。步進電機位置查詢子模塊負責獲取步進電機的當前位置。測量系統通過先后調用步進電機移動子模塊和步進電機位置查詢子模塊實現對于步進電機運動的閉環控制，從而確保水聽器在聲場中所處位置的準確性。

(3) 數據采集處理模塊

數據采集處理模塊負責與數字示波器進行通信，將數字示波器測得水聽器電壓波形數據讀取回來，并對其合法性進行檢查，并對所有合法數據進行處理，將處理結果保存入平均值數組之中，以待進行進一步的數據處理。

(4) 掃描路徑指令生成模塊

由于每次測量開始時，超聲聲場焦點的位置對于測量系統是未知的。因此用戶指定的掃描路徑無法使用絕對位置來表示，只能使用相對于焦點的位置表示。但對于步進電機來說，其能識別的位移指令必須使用絕對位置。因此需要掃描路徑指令生成模塊進行轉換，生成可直接發送給步進電機的位移指令。

2 聲場掃描耗時優化

目前采用水聽器逐點掃描法一般為等步長法掃描[6]。該方法的優點在于可以較為方便的制定出掃描路徑，系統控制較為簡單，但是存在三維掃描耗時太長的問題。一般來說，對一個聚焦聲場進行三維掃描（X、Y為±10 mm，Z為±20 mm），所需測量的點數可多達160萬個點，若每個掃描點的耗時2 s則總耗時達到888 h即37 d多。因此采用多種方式減小掃描耗時十分重要。

掃描總耗時由每點掃描時間乘以掃描點數決定。因此可從減少掃描點數和減少每點掃描時間兩個方面著手優化掃描耗時。通過掃描策略優化的方法減少掃描點數。HIFU聲場特性是其在焦域范圍內聲強較強，在其他范圍內聲強較弱。因此掃描過程中可以在聲強較強、聲場變化較為劇烈的區域使用較小的步長，從而保證掃描精度；在聲強較弱、聲場較為穩定的區域使用較大的步長，從而減小掃描點數優化掃描耗時。而在在步長較大的區域，則通過線性插值的方法對數據進行插補。掃描耗時優化的另一個方法就是單點掃描時間優化。經分析可知，單點掃描時間由步進電機移動時間、數據讀取時間以及程序執行時間組成。提高步進電機移動速度可減小步進電機移動時間。但步進電機移動過快會使測量精度降低，因此不可無限提高。數據讀取時間主要受與數字示波器通信的GPIB總線帶寬限制。采用UBS2.0總線代替GPIB總線可減小數據讀取耗時。

對于一個X、Y方向上20 mm×20 mm，Z方向上40 mm的掃描區域，在進行優化前后的掃描耗時情況見表1。

表1 優化前后的耗時情況Tab.1 Scanning time before and after optimization

3 聲場仿真與實驗結果分析

對于無限大障礙板上的圓形活塞換能器，其空間某點處的聲壓可用瑞利積分表示為[7]

其中p為聲場中任意一點的復聲壓，j=√-1，ρ和c分別代表媒質密度和聲波在媒質中傳播的速度，k =2π/λ為波數，A為源表面輻射面積，u為源表面上的法向振速，μ為衰減系數，r和r'分別表示觀察

點和源點的矢量坐標，為聲波在衰減系數為的媒質中的傳播距離。對于由N個陣元組成的換能器，其在空間坐標為(xm, ym, zm)的某點m處的聲壓可以看成是[8]

其中An和un分布是第n個陣元的面積和法向振速，rmn代表場點m到n陣元上各積分微元dAn中心點的距離，dmn為聲波在衰減系數為a的媒質中的傳播距離。

聲場測量實驗所用的相控型聚焦超聲換能器是110個陣元組成的球殼超聲換能器。其曲率半徑為150 mm，陣元直徑為10 mm，工作頻率為1.36 MHz。

聲場測量實驗時聲場掃描范圍為X軸±4 mm，Y軸±4 mm，Z軸±10 mm。掃描步距為XY軸上0.05 mm，Z軸上0.1 mm。測量重復十次，以其平均值作為最后的測量結果，并計算測量數據的標準差。

(1) 在焦平面處過焦點沿X軸±4 mm范圍內的一維聲場分布實驗測量結果與理論仿真結果對比結果如圖2所示。圖中可見，主瓣處聲場實驗測量結果與理論仿真計算出的結果符合的十分良好。但實驗測量結果聲場分布不完全對稱。X軸負方向上的旁瓣處聲強比正方向上的旁瓣處強。且兩旁瓣的位置比理論仿真值更加靠外。實驗測得的最大旁瓣處的最大旁瓣級為-24.421 9 dB。實驗測量得到的-6 dB點位置-0.769 mm處和 0.776 mm處。焦域范圍為1.545 mm。理論仿真計算處的-6 dB點位置-0.745 mm處和 0.745 mm處。焦域范圍為1.490 mm。實驗測量結果與理論仿真結果的相對偏差為3.691%。

圖2 焦平面處X軸聲強分布實驗測量結果與理論仿真結果對比圖Fig.2 Experimental and theoretical sound intensity distributions along X-axis on the focal plane

(2) 在Z軸上焦點為中心±10 mm范圍的一維聲場如圖3所示。從圖中可見，Z軸上實驗測量結果與理論仿真結果基本一致。但實驗測量得到的聲強隨z軸位置改變的速度較理論仿真慢。在理論仿真時結果中在±8 mm附近存在聲強接近于零的極小值點。但在實驗測量的相應位置處并為測得極小值點。實驗測量得到的-6 dB點位置-5.533 mm處和5.257 mm處。焦域范圍為10.790 mm。理論仿真計算處的-6 dB點位置-4.722 mm處和 4.892 mm處。焦域范圍為9.554 mm。實驗測量結果與理論仿真結果的相對偏差為12.937%。

圖3 Z 軸聲強分布實驗測量結果與理論仿真結果對比圖Fig.3 Experimental and theoretical sound intensity distributions along z-axis

圖4 焦平面處聲場實驗測量結果與理論仿真結果圖Fig.4 Experimental and theoretical sound intensity distributions on the focal plane

(3) 焦平面處以焦點為中心±4 mm范圍的二維聲場分布實驗測量結果和理論仿真結果如圖4所示。從圖中可見，實驗測量結果與理論仿真結果十分一致。實驗測量結果與理論仿真結果的主要差別在于旁瓣位置。實驗測量結果中，旁瓣的范圍較理論仿真結果更大，其邊緣不清晰。實驗測量結果中，旁瓣并未形成完整的圓環狀，而是在右下角處出現了一個缺口。

分析實驗測量結果與理論仿真結果的偏差可分為實際聲場分布與理論仿真結果之間的偏差和基于

LabVIEW的聲場測量系統對實際聲場進行測量時的測量誤差兩部分。實際聲場分布與理論仿真結果之間的偏差的可能原因有：實際發生超聲聲場時不同陣元之間的相位誤差、不同陣元的激勵電壓不一致和超聲換能器中陣元的安裝位置誤差等。這部分偏差不在本文討論的范圍之內?；贚abVIEW的聲場測量系統的測量誤差系統包括使用的水聽器的測量誤差、系統使用的數字萬用表的量化誤差、系統使用的步進電機的定位誤差和環境中電磁干擾等。經分析，本文認為測量誤差主要受水聽器的測量誤差影響。未來可通過換用更精確的水聽器提高基于LabVIEW的聲場測量系統的測量精度。

表2 -6 dB范圍實驗測量結果與理論仿真結果對比表Tab.2 Experimental and theoretical -6 dB location

4 結論

相控型高強度聚焦超聲系統的聲場分布測量對其臨床應用具有一定價值。本文介紹的基于LabVIEW的聚焦聲場測量系統可自動化的對空間中超聲聲場的分布情況進行測量，并重建出直觀的超聲聲場二維分布圖，計算出旁瓣級、超聲工作頻率、焦區幾何尺寸等參數。實驗測量得到的聲場分布結果與理論仿真得到的聲場分布結果十分相似，表明基于LabVIEW的聚焦聲場測量系統的測量結果準確可靠。

[1] 馮若. 高強度聚焦超聲 “切除 ”腫瘤的機理[J]. 中國超聲醫學雜志, 2000, 16(12):881-884.

[2] Bailey MR, Khokhlova MR, Sapozhnikov OA, et al. Physical mechanisms of the therapeutic effect of ultrasound(a review)[J]. Acoust Phys, 2003,49(4):369-388.

[3] Canney MS, Bailey MR, Crum LA, et al. Acoustic characterization of high intensity focused ultrasound fields: A combined measurement and modeling approach[J]. J Acoust Soc Am, 2008, 124:2406-2420.

[4] ter Haar G, Coussios C. High intensity focused ultrasound: Physical principles and devices[J]. Int J Hypertherm, 2007, 23: 89-104.

[5] National Instumentation. LabVIEW foundation[R]. [2007]. http:// www.ni.com.

[6] Shaw A, Hodnett M. Calibration and measurement issues fortherapeutic ultrasound[J]. Ultrasonics, 2008, 48(4): 234-252.

[7] Daum DR, Hynynen K. A 256-Element Ultrasonic Phased Array System for the Treatment of Large Volumes of Deep Seated Tissue[J]. IEEE Trans Ultrason Freq Contr. 1999, 46(5): 1254-1268.

[8] Zhang C, Chen Y. Investigation of a spherical-section ultrasound phased array for hepatic ablation[J]. J Zhejiang Univ SCI, 2007, 8(8): 1237-1245.

A Focused Sound Field Measurement System by LabVlEW

【 Writers 】Jiang Zhan1,2, Bai Jingfeng1,2, Yu Ying1,2
1 Biomedical Instrument Institute, School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030
2 Med-X Research Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

【 Abstract 】In this paper, according to the requirement of the focused sound field measurement, a focused sound field measurement system was established based on the LabVIEW virtual instrument platform. The system can automatically search the focus position of the sound fi eld, and adjust the scanning path according to the size of the focal region. Three-dimensional sound fi eld scanning time reduced from 888 hours in uniform step to 9.25 hours in variable step. The efficiency of the focused sound field measurement was improved. There is a certain deviation between measurement results and theoretical calculation results. Focal plane - 6 dB width difference rate was 3.691%, the beam axis - 6 dB length differences rate was 12.937%.

sound fi eld measurement, system software, LabVIEW

TP274.4

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.03.006

2014-01-06

上海市科技攻關項目（11441900200）

白景峰，E-mail: jfbai@sjtu.edu.cn

1671-7104(2014)03-0181-05