江 湛，白景峰，余 瑛

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海市， 200030

2 上海交通大學(xué)Med-X研究院，上海市，200030

應(yīng)用LabVlEW的聚焦聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

【作 者】江 湛1,2，白景峰1,2，余 瑛1,2

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海市， 200030

2 上海交通大學(xué)Med-X研究院，上海市，200030

該文根據(jù)聚焦聲場(chǎng)測(cè)量的要求，應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)建立了一個(gè)聚焦聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)尋找聚焦聲場(chǎng)的焦點(diǎn)位置，并根據(jù)焦域的大小調(diào)整掃描路徑，三維聲場(chǎng)掃描時(shí)間從均勻步長(zhǎng)的888 h減少到變步長(zhǎng)的9.25 h，提高了聲場(chǎng)測(cè)量效率。理論計(jì)算與系統(tǒng)測(cè)量結(jié)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(zhǎng)度的差異率為12.937%。

聲場(chǎng)測(cè)量；系統(tǒng)軟件；LabVIEW

0 引言

20世紀(jì)90年代以來(lái)高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound)逐漸發(fā)展為一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ臒o(wú)創(chuàng)腫瘤治療手段。高強(qiáng)度聚焦超聲利用超聲聲能在體內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)將超聲波波束聚焦于靶組織的，在靶組織內(nèi)形成一個(gè)能量可高達(dá)500 W/cm2的區(qū)域。聲能在靶區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換為熱能，令靶組織在(0.5～5) s的時(shí)間內(nèi)迅速升溫至60oC以上，從而使靶組織的細(xì)胞迅速發(fā)生熱變性和壞死[1]。高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)的三維聲場(chǎng)分布是衡量其治療探頭設(shè)計(jì)與制造工藝、治療效果好壞的關(guān)鍵因素，也是衡量設(shè)備安全性與效率的重要指標(biāo)[2]，對(duì)治療計(jì)劃的制定也有著重要的參考意義[3]。因此，對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)的聲場(chǎng)測(cè)量是研究高強(qiáng)度聚焦超聲技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。

本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一套應(yīng)用LabVIEW的聚焦聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制水聽(tīng)器按用戶指定路徑自動(dòng)化的測(cè)量三維聲場(chǎng)的分布情況，并可實(shí)時(shí)重建出二維聲場(chǎng)分布圖。使用本文研發(fā)的聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)相控聚焦超聲聲場(chǎng)分布進(jìn)行了測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與理論仿真的聲場(chǎng)分布進(jìn)行了對(duì)比。

1 聚焦聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

聚焦超聲聲場(chǎng)測(cè)量參數(shù)包括聲功率、聲壓、聲強(qiáng)和焦域尺寸等。目前聲功率的主要測(cè)量方法有輻射力法、量熱法和聲光衍射法等，聲場(chǎng)中各處的聲強(qiáng)和聲壓以及焦域尺寸主要通過(guò)水聽(tīng)器法來(lái)測(cè)量[4]。

水聽(tīng)器可分為壓電水聽(tīng)器和光纖水聽(tīng)器。本文使用的是PT材料制成的壓電水聽(tīng)器。當(dāng)壓電材料被超聲照射時(shí)，聲壓引起壓電材料內(nèi)部電荷分布的變化，這種變化使得壓電材料兩端出現(xiàn)相應(yīng)的電勢(shì)差。通過(guò)前置放大器以及后續(xù)的信號(hào)處理電路，就可使超聲的幅值和頻率等聲學(xué)信息以電壓信號(hào)的形式表現(xiàn)出來(lái)。

本文研發(fā)的超聲聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)PC上位機(jī)控制外圍硬件，控制水聽(tīng)器按用戶指定的路徑在三維聲

場(chǎng)中進(jìn)行移動(dòng)，由數(shù)字示波器對(duì)水聽(tīng)器在每點(diǎn)處的電壓波形進(jìn)行采集，通過(guò)USB接口傳送給PC機(jī)進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)、聲壓與聲強(qiáng)的計(jì)算、三維聲場(chǎng)分布的重建。

本文研發(fā)的聚焦聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)采用水聽(tīng)器法對(duì)聚焦超聲聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。使用水聽(tīng)器逐點(diǎn)掃描聲場(chǎng)得到聚焦超聲聲場(chǎng)各點(diǎn)的聲壓，計(jì)算出聚焦超聲聲場(chǎng)的分布及其大小，并實(shí)時(shí)顯示。

1.1 硬件系統(tǒng)

基于LabVIEW的聚焦聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，包括水聽(tīng)器、數(shù)字示波器、步進(jìn)電機(jī)、上位機(jī)以及測(cè)量水槽等部分。

圖1 聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of Sound fi eld measurement system

(1) 水聽(tīng)器 采用中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研制的PT探針式水聽(tīng)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(hào)采集卡進(jìn)行波形采集和記錄。水聽(tīng)器經(jīng)中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所校準(zhǔn)，在1.36 MHz頻率下靈敏度為0.11 mv/Pa。最大測(cè)量聲壓為40 MPa。

(2) 數(shù)字示波器 采用Agilent MSO-X 2012A數(shù)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(shè)計(jì)的聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)使用速度更快的USB接口完成示波器與PC機(jī)之間的通訊。

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

(4) 測(cè)量水槽 測(cè)量水槽為橫截面為正方形的立方體，橫切面邊長(zhǎng)為450 mm，高為290 mm。高強(qiáng)度聚焦超聲換能器位于測(cè)量水槽底部中央，向上發(fā)射超聲波。測(cè)量水槽四壁鋪設(shè)有海綿。為減小反射波對(duì)聲場(chǎng)測(cè)量的影響，在水聽(tīng)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(nèi)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(dá)(20～40) dB，吸聲系數(shù)為99 %～99.5 %。

1.2 軟件系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的聚焦聲場(chǎng)掃描系統(tǒng)軟件采用LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)。LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言[5]。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。LabVIEW集成了可滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。因此在LabVIEW環(huán)境之下進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，可以不必開(kāi)發(fā)與Agilent MSO-X 2012A數(shù)字示波器以及MC400位移臺(tái)控制箱進(jìn)行通訊的通訊接口代碼，而把精力集中到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能上來(lái)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)尋找聲場(chǎng)焦點(diǎn)位置，自動(dòng)三維聲場(chǎng)掃描，聲場(chǎng)分布重建等功能。

根據(jù)聲場(chǎng)測(cè)量需求，系統(tǒng)進(jìn)行聲場(chǎng)掃描的過(guò)程可分為三個(gè)步驟。

(1) 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)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(nèi)部變量初始化等；硬件初始化主要包括步進(jìn)電機(jī)的復(fù)位，歸零，狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。

(2) 焦點(diǎn)定位 焦點(diǎn)定位是根據(jù)聚焦聲場(chǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)尋找掃描路徑上的最大聲壓值點(diǎn)的位置來(lái)確定焦點(diǎn)位置。系統(tǒng)先在XY平面上用較大步長(zhǎng)進(jìn)行大范圍二維掃描，并定位出聲壓最大值點(diǎn)的位置，再以該點(diǎn)為中心使用較小步長(zhǎng)進(jìn)行較小范圍的二維掃描，確定出該平面上聲壓最大值點(diǎn)的位置。最后以該點(diǎn)為中心，沿Z軸進(jìn)行掃描。Z軸掃描得到的聲強(qiáng)最大值點(diǎn)即為系統(tǒng)尋找到的聲場(chǎng)焦點(diǎn)。在尋找聲場(chǎng)焦點(diǎn)過(guò)程中用到的掃描步長(zhǎng)和掃描范圍等參數(shù)可根據(jù)所測(cè)量聲場(chǎng)的理論仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

(3) 聲場(chǎng)掃描 系統(tǒng)按照用戶設(shè)定的掃描路徑進(jìn)行

逐點(diǎn)掃描。將掃描結(jié)果實(shí)時(shí)的保存到上位機(jī)的硬盤之中，這樣可以保證在出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致掃描終止時(shí)，已獲取的掃描數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

在測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)可以全自動(dòng)化的完成水聽(tīng)器的移動(dòng)、水聽(tīng)器位置確認(rèn)、測(cè)量數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)有效性校驗(yàn)、多次重復(fù)測(cè)量以及數(shù)據(jù)保存等功能。整個(gè)測(cè)量過(guò)程完全由系統(tǒng)自主進(jìn)行，無(wú)須操作人員干預(yù)，具有一定的智能處理能力和較高的自動(dòng)化水平。

系統(tǒng)軟件采用模塊化的編程方法，將系統(tǒng)軟件所需的主要功能分成初始化模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和掃描路徑指令生成模塊分別實(shí)現(xiàn)。完成各功能模塊的設(shè)計(jì)之后，系統(tǒng)軟件根據(jù)測(cè)量流程調(diào)用各功能模塊實(shí)現(xiàn)所需功能。

(1) 初始化模塊

初始化模塊的功能是將對(duì)程序內(nèi)的各變量和各外圍設(shè)備進(jìn)行初始化。保證超聲聲場(chǎng)自動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)做好進(jìn)行聲場(chǎng)掃描的準(zhǔn)備。初始化模塊內(nèi)完成的主要操作有：初始化與示波器及步進(jìn)電機(jī)通訊的端口、設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的初始位置和設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)速度等。

(2) 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

步進(jìn)電機(jī)控制模塊是由步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)子模塊和步進(jìn)電機(jī)位置查詢子模塊兩個(gè)獨(dú)立的子模塊組成。步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)子模塊負(fù)責(zé)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)的目標(biāo)位置。步進(jìn)電機(jī)位置查詢子模塊負(fù)責(zé)獲取步進(jìn)電機(jī)的當(dāng)前位置。測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)先后調(diào)用步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)子模塊和步進(jìn)電機(jī)位置查詢子模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制，從而確保水聽(tīng)器在聲場(chǎng)中所處位置的準(zhǔn)確性。

(3) 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集處理模塊負(fù)責(zé)與數(shù)字示波器進(jìn)行通信，將數(shù)字示波器測(cè)得水聽(tīng)器電壓波形數(shù)據(jù)讀取回來(lái)，并對(duì)其合法性進(jìn)行檢查，并對(duì)所有合法數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果保存入平均值數(shù)組之中，以待進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

(4) 掃描路徑指令生成模塊

由于每次測(cè)量開(kāi)始時(shí)，超聲聲場(chǎng)焦點(diǎn)的位置對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)是未知的。因此用戶指定的掃描路徑無(wú)法使用絕對(duì)位置來(lái)表示，只能使用相對(duì)于焦點(diǎn)的位置表示。但對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其能識(shí)別的位移指令必須使用絕對(duì)位置。因此需要掃描路徑指令生成模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成可直接發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)的位移指令。

2 聲場(chǎng)掃描耗時(shí)優(yōu)化

目前采用水聽(tīng)器逐點(diǎn)掃描法一般為等步長(zhǎng)法掃描[6]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以較為方便的制定出掃描路徑，系統(tǒng)控制較為簡(jiǎn)單，但是存在三維掃描耗時(shí)太長(zhǎng)的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)一個(gè)聚焦聲場(chǎng)進(jìn)行三維掃描（X、Y為±10 mm，Z為±20 mm），所需測(cè)量的點(diǎn)數(shù)可多達(dá)160萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，若每個(gè)掃描點(diǎn)的耗時(shí)2 s則總耗時(shí)達(dá)到888 h即37 d多。因此采用多種方式減小掃描耗時(shí)十分重要。

掃描總耗時(shí)由每點(diǎn)掃描時(shí)間乘以掃描點(diǎn)數(shù)決定。因此可從減少掃描點(diǎn)數(shù)和減少每點(diǎn)掃描時(shí)間兩個(gè)方面著手優(yōu)化掃描耗時(shí)。通過(guò)掃描策略優(yōu)化的方法減少掃描點(diǎn)數(shù)。HIFU聲場(chǎng)特性是其在焦域范圍內(nèi)聲強(qiáng)較強(qiáng)，在其他范圍內(nèi)聲強(qiáng)較弱。因此掃描過(guò)程中可以在聲強(qiáng)較強(qiáng)、聲場(chǎng)變化較為劇烈的區(qū)域使用較小的步長(zhǎng)，從而保證掃描精度；在聲強(qiáng)較弱、聲場(chǎng)較為穩(wěn)定的區(qū)域使用較大的步長(zhǎng)，從而減小掃描點(diǎn)數(shù)優(yōu)化掃描耗時(shí)。而在在步長(zhǎng)較大的區(qū)域，則通過(guò)線性插值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。掃描耗時(shí)優(yōu)化的另一個(gè)方法就是單點(diǎn)掃描時(shí)間優(yōu)化。經(jīng)分析可知，單點(diǎn)掃描時(shí)間由步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)時(shí)間、數(shù)據(jù)讀取時(shí)間以及程序執(zhí)行時(shí)間組成。提高步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)速度可減小步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)時(shí)間。但步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)過(guò)快會(huì)使測(cè)量精度降低，因此不可無(wú)限提高。數(shù)據(jù)讀取時(shí)間主要受與數(shù)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(shù)據(jù)讀取耗時(shí)。

對(duì)于一個(gè)X、Y方向上20 mm×20 mm，Z方向上40 mm的掃描區(qū)域，在進(jìn)行優(yōu)化前后的掃描耗時(shí)情況見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化前后的耗時(shí)情況Tab.1 Scanning time before and after optimization

3 聲場(chǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于無(wú)限大障礙板上的圓形活塞換能器，其空間某點(diǎn)處的聲壓可用瑞利積分表示為[7]

其中p為聲場(chǎng)中任意一點(diǎn)的復(fù)聲壓，j=√-1，ρ和c分別代表媒質(zhì)密度和聲波在媒質(zhì)中傳播的速度，k =2π/λ為波數(shù)，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(shù)，r和r'分別表示觀察

點(diǎn)和源點(diǎn)的矢量坐標(biāo)，為聲波在衰減系數(shù)為的媒質(zhì)中的傳播距離。對(duì)于由N個(gè)陣元組成的換能器，其在空間坐標(biāo)為(xm, ym, zm)的某點(diǎn)m處的聲壓可以看成是[8]

其中An和un分布是第n個(gè)陣元的面積和法向振速，rmn代表場(chǎng)點(diǎn)m到n陣元上各積分微元dAn中心點(diǎn)的距離，dmn為聲波在衰減系數(shù)為a的媒質(zhì)中的傳播距離。

聲場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)所用的相控型聚焦超聲換能器是110個(gè)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(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)聲場(chǎng)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(cè)量重復(fù)十次，以其平均值作為最后的測(cè)量結(jié)果，并計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

(1) 在焦平面處過(guò)焦點(diǎn)沿X軸±4 mm范圍內(nèi)的一維聲場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果對(duì)比結(jié)果如圖2所示。圖中可見(jiàn)，主瓣處聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真計(jì)算出的結(jié)果符合的十分良好。但實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果聲場(chǎng)分布不完全對(duì)稱。X軸負(fù)方向上的旁瓣處聲強(qiáng)比正方向上的旁瓣處強(qiáng)。且兩旁瓣的位置比理論仿真值更加靠外。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大旁瓣處的最大旁瓣級(jí)為-24.421 9 dB。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的-6 dB點(diǎn)位置-0.769 mm處和 0.776 mm處。焦域范圍為1.545 mm。理論仿真計(jì)算處的-6 dB點(diǎn)位置-0.745 mm處和 0.745 mm處。焦域范圍為1.490 mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果的相對(duì)偏差為3.691%。

圖2 焦平面處X軸聲強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig.2 Experimental and theoretical sound intensity distributions along X-axis on the focal plane

(2) 在Z軸上焦點(diǎn)為中心±10 mm范圍的一維聲場(chǎng)如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，Z軸上實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果基本一致。但實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的聲強(qiáng)隨z軸位置改變的速度較理論仿真慢。在理論仿真時(shí)結(jié)果中在±8 mm附近存在聲強(qiáng)接近于零的極小值點(diǎn)。但在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相應(yīng)位置處并為測(cè)得極小值點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的-6 dB點(diǎn)位置-5.533 mm處和5.257 mm處。焦域范圍為10.790 mm。理論仿真計(jì)算處的-6 dB點(diǎn)位置-4.722 mm處和 4.892 mm處。焦域范圍為9.554 mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果的相對(duì)偏差為12.937%。

圖3 Z 軸聲強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Experimental and theoretical sound intensity distributions along z-axis

圖4 焦平面處聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果圖Fig.4 Experimental and theoretical sound intensity distributions on the focal plane

(3) 焦平面處以焦點(diǎn)為中心±4 mm范圍的二維聲場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和理論仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果十分一致。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果的主要差別在于旁瓣位置。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果中，旁瓣的范圍較理論仿真結(jié)果更大，其邊緣不清晰。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果中，旁瓣并未形成完整的圓環(huán)狀，而是在右下角處出現(xiàn)了一個(gè)缺口。

分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果的偏差可分為實(shí)際聲場(chǎng)分布與理論仿真結(jié)果之間的偏差和基于

LabVIEW的聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)實(shí)際聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)的測(cè)量誤差兩部分。實(shí)際聲場(chǎng)分布與理論仿真結(jié)果之間的偏差的可能原因有：實(shí)際發(fā)生超聲聲場(chǎng)時(shí)不同陣元之間的相位誤差、不同陣元的激勵(lì)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(nèi)?；贚abVIEW的聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差系統(tǒng)包括使用的水聽(tīng)器的測(cè)量誤差、系統(tǒng)使用的數(shù)字萬(wàn)用表的量化誤差、系統(tǒng)使用的步進(jìn)電機(jī)的定位誤差和環(huán)境中電磁干擾等。經(jīng)分析，本文認(rèn)為測(cè)量誤差主要受水聽(tīng)器的測(cè)量誤差影響。未來(lái)可通過(guò)換用更精確的水聽(tīng)器提高基于LabVIEW的聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。

表2 -6 dB范圍實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果對(duì)比表Tab.2 Experimental and theoretical -6 dB location

4 結(jié)論

相控型高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)的聲場(chǎng)分布測(cè)量對(duì)其臨床應(yīng)用具有一定價(jià)值。本文介紹的基于LabVIEW的聚焦聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)可自動(dòng)化的對(duì)空間中超聲聲場(chǎng)的分布情況進(jìn)行測(cè)量，并重建出直觀的超聲聲場(chǎng)二維分布圖，計(jì)算出旁瓣級(jí)、超聲工作頻率、焦區(qū)幾何尺寸等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的聲場(chǎng)分布結(jié)果與理論仿真得到的聲場(chǎng)分布結(jié)果十分相似，表明基于LabVIEW的聚焦聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

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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(guān)項(xiàng)目（11441900200）

白景峰，E-mail: jfbai@sjtu.edu.cn

1671-7104(2014)03-0181-05