基于相关法的医用超声耦合剂实时测量系统

　　1 引 言

　　超声仪器用于临床诊断时, 在超声波发射探头和被测物体(一般为人体)之间要有一定浓度的耦合剂起耦合作用, 使声波顺利进入体内, 从而获得可靠有效的图像。医用超声耦合剂的基本要求是能够有效地传输声波, 因而其声阻抗要与人体组织的声阻抗接近, 声波衰减小, 能得到清晰的图像。医用超声耦合剂作为必不可少的超声传导介质, 其品质对诊断和治疗的效果有不可忽视的影响, 其中关键参数是声速和声衰减系数。

　　虚拟示波器是一个对被测信号进行取样并数字化的独立部件, 该部件作为 PC 机的一个拓展接口或插卡, 这样就可以利用计算机完成数据处理、重建波形及显示的任务。本文中通过 USB 获得虚拟示波器的数据, 在 PC 端对波形进行重组, 然后利用相关方法计算超声耦合剂中的声速和衰减, 从而实现了对超声耦合剂的声速和衰减实时测量。

　　2 测量原理

　　如图 1 所示, 声波由探头发出, 到达距 L/2 处的反射面后反射回来, 再次给探头接受[1]。因此在超声耦合剂中, 声速 c 是利用声时的测量来计算的:

　　式中 L 为声波通过的距离, 而 T 为声波所用的时间, 即两次回波的时间差。对于沿 X 方向传播的平面波而言, 不需要计及扩散衰减, 则声压随传播距离的变化, 可由式(2)表示:

　　式中, p0为探头发出时声波的声压值, p 为再次接收时的声波的声压值, L 为声波通过的距离。由式(2)可得:

　　由于实际应用中, 声波是有发散的, 故所获得的衰减系数!还包括着扩散衰减, a=a1+a2, 其中 !1为液体的衰减系数, a2为扩散衰减系数。扩散衰减系数只与声波的发散程度有关, 与液体的状况无关, 故可将已知衰减系数的液体放入系统, 测量其衰减, 从而获得系统的扩散衰减系数, 然后再对未知液体进行测量, 并将测量结果减去扩散衰减系数即可。

　　3 相关方法

　　3.1 利用相关方法估计声速和声衰减

　　相关分析能从噪声中找出同一信号两部分之间或两个信号之间的相互关系, 以判别其相似性, 并从中提取有关信号的特征[2]。

　　对于能量有限信号 x(t)、y(t)的互相关函数 rxy(T)定义如下:

　　当相关函数达到一个极大值时的时间变量就是相关法的时延估计值 T ′[3]。获得声时延 T ′后, 依据式(1)就能计算出声速。对于声衰减有：

　　3.2 利用 FFT 计算相关函数[4]

　　对互相关函数 rxy(T)求其傅立叶变化可得:

　　这样, 算法的复杂度就降为O(n·lg(n)) , 对于131 072 个点与 4 000 个点的两个序列的互相关计算耗时约为原先的 1/20(C 语言编写, 在 AMD Sem-pron(tm)Processor 3 000+的 PC 上运行)。在实际的计算中, 由于虚拟示波器每秒要向 PC 传输将近20 次的数据, 故将波形进行多次的累计平均。然后,定时(1s)进行计算声速和衰减。这样, 即可减少 PC机 CPU 的占用率, 同时还可通过多次平均来降低噪声对测试的影响。