中國計量院建立高頻水聽器校準裝置 為超聲應用提供更準的「尺子」

● 劉旭紅 史玉成

中國計量院建立高頻水聽器校準裝置 為超聲應用提供更準的「尺子」

● 劉旭紅 史玉成

醫(yī)院的B超、血管心臟超聲檢查，工業(yè)中的超聲探傷、超聲無損檢測……超聲，在人們生產生活中應用十分廣泛。那么，超聲檢查的準確度和分辨力是靠什么來保障的呢？怎樣才能提高呢？這就是中國計量院力聲所楊平團隊目前研究工作的重要內容。

最近，楊平團隊采用激光外差法建立高頻水聽器校準裝置，將我國高頻超聲測量的頻率上限由現(xiàn)有基準的5MHz提高到60MHz，為超聲應用提供標準更高、精度更準的“尺子”。

楊平介紹說，人們習慣上將頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波，超聲因其指向性好，穿透能力較強，易于獲得較集中的聲能，被廣泛應用于醫(yī)學診斷、治療以及工業(yè)檢測等領域。在醫(yī)學影像領域，超聲設備尤其是B超，因其無創(chuàng)、無痛、方便、直觀，已成為使用量最大、頻次最高、涉及人群最廣的設備之一。我國已成為全球最大的超聲診斷設備生產和使用國，超聲設備年產值達到百億元；在工業(yè)檢測領域，超聲檢測也是最主要的無損檢測技術之一。關鍵設備檢測、飛行器關鍵部件、半導體行業(yè)中高純度濺射靶材等高端制造業(yè)的產品質量控制都離不開超聲檢測。

在影響超聲診斷設備安全評估、性能評價的眾多因素中，高頻水聽器是楊平團隊最為關鍵的器件。據(jù)楊平介紹，高頻水聽器其實就是一種在水里能聽見聲音的高頻傳感器，能將水里的超聲信號接收并轉化為電信號。高頻水聽器的靈敏度準確與否，對于保障超聲診斷設備的安全性、超聲治療設備的劑量準確性至關重要，對于確定超聲換能器也就是人們常說的超聲探頭參數(shù)、制定檢測方案、定量評估檢測結果尤為重要。

在實際應用中，超聲診斷、檢測的分辨力與介質中的波長密切相關。一般來說，波長越小，頻率越高，超聲波檢測的分辨能力也越高。如1MHz的超聲波在人體中的波長大約為1.5mm，而10MHz的超聲波在人體內波長大約為0.15mm，理論上可將檢測的空間分辨率提高10倍。

為了得到更高的診斷及檢測分辨力，目前用于眼科、皮膚及血管內成像等檢查的超聲診斷設備工作頻率已達到40 MHz甚至60MHz，因此相應地對高頻水聽器校準頻率范圍提出了越來越高的要求。但我國原有的高頻水聲基準頻率范圍為0.5MHz～5MHz，其頻率范圍已不能滿足國內超聲相關企業(yè)的溯源需求，更不能滿足醫(yī)用超聲、高端裝備制造等行業(yè)的發(fā)展需求。我國高端的高頻水聽器、超聲換能器基本都要到國外去溯源，不僅成本高，而且每次都需要幾個月甚至一年的時間，嚴重制約了相關產業(yè)的發(fā)展。

為此，楊平團隊于2009年開始了該方面的研究。經(jīng)過努力，課題組采用互易技術和激光外差技術兩種方法分別建立了我國高頻水聽器校準裝置，其中高達60MHz的激光外差校準能力為國際上首次開展。課題組利用激光外差技術開展的高頻水聽器校準能力，頻率范圍為5 MHz～60 MHz，測量不確定度優(yōu)于16%( k=2 )，校準頻率范圍及不確定度水平步入國際第一梯隊?！霸碚_，方法可行，結果可靠，不確定度水平達到國際先進水平。”專家鑒定意見這樣評價道。

楊平介紹說，通過薄膜水聽器的比對，課題成果的技術水平與此方面公認技術能力最高的英國、德國“并駕齊驅”。同時，激光外差技術比英國、德國目前采用的激光零差技術具有明顯的技術優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：測量高頻聲壓的信息更豐富，聲壓的上限更高，各種系統(tǒng)效應影響較小，修正帶來的不確定度較小等。此外，該技術有望為高強度聚焦超聲場中的焦點聲壓測量提供可行的技術手段。

業(yè)內專家表示，高頻水聽器校準及超聲換能器聲場形態(tài)參數(shù)測量能力的建立，將為我國醫(yī)用超聲、飛機制造、半導體靶材制造等產業(yè)提供頻率更高、量值更準的測量校準服務，為其設備研發(fā)、質量控制提供更加精準的技術支撐。