中心开孔球面换能器自易校准方法研究及其在HIFU治疗中的应用

在临床上，HIFU治疗通常需要配合超声成像进行监控。中心开孔的球面换能器（球环换能器）是超声消融治疗的关键部件，常用于成像探头。因此，其辐射声功率必须严格控制，以确保治疗效果和人体安全。IEC推荐的辐射力天平（RFB）法是声功率测量的首选方法。然而，RFB法仅适用于平面声功率的测量，而且对于猝发音信号的测量不够灵敏。同时，在测量过程中，吸收靶会将高强度的声能转化为自身的热能，影响测量的准确性，并可能导致永久性的热损伤和机械损伤。水听器法可以提供更多的声场参数，但HIFU声场焦域处能量很高，容易损坏水听器，因此应用较少。此外，上述方法需要价格昂贵的专业测量设备和特定的测量环境。

为了实现更简单和精确的装置，将测量误差降到最低，需要研究换能器的电声特性。自易校准法是一种绝对校准方法，长期应用于海洋声学中的换能器校准。随着声场理论的提高，自易校准技术被应用到平面活塞换能器和球面换能器中，可以校准水听器，也可以测量声功率等电声参数。在此基础上，制定了球面换能器自易法的国际标准，并进一步将其应用于圆柱面聚焦换能器的声功率等电声参数的测量，证明了此方法的科学性。

本文基于球面波声场互易原理，系统研究了中心开孔的球面换能器的电声特性。研究结果包括衍射修正系数和平均反射系数的计算方法和数据图表，实现了互易原理在中心开孔的球面换能器中的应用，拓展了换能器的自易校准理论。据此，建立了基于平面反射器的反射信号对中心开孔的球面换能器进行自易校准的方法。实验结果表明，自易法相对于RFB法具有更好的稳定性，不易受环境影响，抗干扰更强，比RFB法更适合mW级的声功率测量。本方法可以通过电压、电流值测得输出声功率、辐射电导、电声转换效率、自由场发送电流响应、自由场电压灵敏度等5个电声参数。使用多个换能器的实验结果验证了本文方法的可行性和有效性。