中国计量院建立高频水听器校准装置 为超声应用提供更准的「尺子」

● 刘旭红 史玉成

中国计量院建立高频水听器校准装置 为超声应用提供更准的「尺子」

● 刘旭红 史玉成

医院的B超、血管心脏超声检查，工业中的超声探伤、超声无损检测……超声，在人们生产生活中应用十分广泛。那么，超声检查的准确度和分辨力是靠什么来保障的呢？怎样才能提高呢？这就是中国计量院力声所杨平团队目前研究工作的重要内容。

最近，杨平团队采用激光外差法建立高频水听器校准装置，将我国高频超声测量的频率上限由现有基准的5MHz提高到60MHz，为超声应用提供标准更高、精度更准的“尺子”。

杨平介绍说，人们习惯上将频率高于20kHz的声波称为超声波，超声因其指向性好，穿透能力较强，易于获得较集中的声能，被广泛应用于医学诊断、治疗以及工业检测等领域。在医学影像领域，超声设备尤其是B超，因其无创、无痛、方便、直观，已成为使用量最大、频次最高、涉及人群最广的设备之一。我国已成为全球最大的超声诊断设备生产和使用国，超声设备年产值达到百亿元；在工业检测领域，超声检测也是最主要的无损检测技术之一。关键设备检测、飞行器关键部件、半导体行业中高纯度溅射靶材等高端制造业的产品质量控制都离不开超声检测。

在影响超声诊断设备安全评估、性能评价的众多因素中，高频水听器是杨平团队最为关键的器件。据杨平介绍，高频水听器其实就是一种在水里能听见声音的高频传感器，能将水里的超声信号接收并转化为电信号。高频水听器的灵敏度准确与否，对于保障超声诊断设备的安全性、超声治疗设备的剂量准确性至关重要，对于确定超声换能器也就是人们常说的超声探头参数、制定检测方案、定量评估检测结果尤为重要。

在实际应用中，超声诊断、检测的分辨力与介质中的波长密切相关。一般来说，波长越小，频率越高，超声波检测的分辨能力也越高。如1MHz的超声波在人体中的波长大约为1.5mm，而10MHz的超声波在人体内波长大约为0.15mm，理论上可将检测的空间分辨率提高10倍。

为了得到更高的诊断及检测分辨力，目前用于眼科、皮肤及血管内成像等检查的超声诊断设备工作频率已达到40 MHz甚至60MHz，因此相应地对高频水听器校准频率范围提出了越来越高的要求。但我国原有的高频水声基准频率范围为0.5MHz～5MHz，其频率范围已不能满足国内超声相关企业的溯源需求，更不能满足医用超声、高端装备制造等行业的发展需求。我国高端的高频水听器、超声换能器基本都要到国外去溯源，不仅成本高，而且每次都需要几个月甚至一年的时间，严重制约了相关产业的发展。

为此，杨平团队于2009年开始了该方面的研究。经过努力，课题组采用互易技术和激光外差技术两种方法分别建立了我国高频水听器校准装置，其中高达60MHz的激光外差校准能力为国际上首次开展。课题组利用激光外差技术开展的高频水听器校准能力，频率范围为5 MHz～60 MHz，测量不确定度优于16%( k=2 )，校准频率范围及不确定度水平步入国际第一梯队。“原理正确，方法可行，结果可靠，不确定度水平达到国际先进水平。”专家鉴定意见这样评价道。

杨平介绍说，通过薄膜水听器的比对，课题成果的技术水平与此方面公认技术能力最高的英国、德国“并驾齐驱”。同时，激光外差技术比英国、德国目前采用的激光零差技术具有明显的技术优势，主要体现在：测量高频声压的信息更丰富，声压的上限更高，各种系统效应影响较小，修正带来的不确定度较小等。此外，该技术有望为高强度聚焦超声场中的焦点声压测量提供可行的技术手段。

业内专家表示，高频水听器校准及超声换能器声场形态参数测量能力的建立，将为我国医用超声、飞机制造、半导体靶材制造等产业提供频率更高、量值更准的测量校准服务，为其设备研发、质量控制提供更加精准的技术支撑。