超声波测厚仪在激光医学中的应用

　　1 前言

　　目前激光技术在医学中获得越来越广泛的应用,激光医学被称为传统外科手术划时代的进步,激光在多种医学领域中成为特殊有效的新型诊治手段。但是激光手术刀与生物组织的相互作用异常复杂,它涉及到激光物理、生物传热学和医学等多种学科的相关知识。激光辐射可能导致组织的烧蚀、碳化、汽化、凝固、溅射和高速分解等生物效应,掌握激光辐射作用下,生物组织的热状态及热损伤区的大小,对于激光手术刀的设计和激光医学安全操作规范的制定,可提供相应的科学理论依据。根据激光医学实验结果,专家们提出了如下激光生物热效应的物理模型[1-2]:强激光辐射作用于生物组织,使表面产生烧蚀并形成厚度为δ1的碳化表层和深度为D2的组织损伤层,以及未损伤原始组织(参阅图1)。在激光辐射作用下,组织中的体液不断被加热蒸发,所形成的蒸汽沿着碳化区的碳骨骼逸出,而碳骨骼的外表面被烧蚀。由此可设立相应的数学模型(详见文献[2]),而在数学模型中碳化表层与组织损伤层的相间边界I的前锋移动速度()的计算公式如下[2]:

　　式中:

　　C1—碳化层的声速;

　　A1—碳的分子量;

　　R—通用气体常数;

　　T1—边界I上的温度。

　　从公式(1)中可看到边界I的前锋移动速度的计算涉及到碳化层的声速,由于碳与碳化层的声速在文献和手册上无法查到,因此有必要对其进行研究。

　　2 测量原理

　　声速是描述超声波在介质中传播特性的一个基本物理量,声速的计算公式如下[3]:

　　式中:

　　E—弹性模量;

　　ρ—介质密度;

　　K—与波型有关的常数。

　　从公式(2)可看出声速的大小由传播介质决定,即与材料的弹性模量、密度、超声波波型有关。而在强激光辐射形成的生物组织中,碳化层、组织损伤层和未损伤原始组织,三者的弹性模量和密度都不相同,因此无法在图1所示的生物组织体上直接测试碳化层声速,只有制作碳化试样进行模拟测试。对于普通的碳和石墨制品一般通过静测法或声频法测出弹性模量[4-5],同时用称量法测定密度[4],再通过公式(2)计算出它的声速。但对于生物组织碳化层来说,如制作静拉伸试样测形变,那么碳化层的脆性和内部密度不均匀,将使静测法测弹性模量产生较大的测量误差。如制作棒状试样测共振频率,那么超声波长距离传播的扩散衰减也将使声频法测弹性模量产生较大的测量误差。此外再加上密度测量误差,最终得到的声速将产生很大的测量误差,因此只有放弃上述测试方法,使用超声波测厚法对碳化层声速进行模拟测试。超声波测厚仪的工作原理如下:它的脉冲发生器以一个窄电脉冲激励专用高阻尼压电换能器,此脉冲为始脉冲,一部分由始脉冲激励产生的超声信号在材料界面反射,这信号称为始波。其余部分透入材料,并从平行对面反射回来,这一返回信号称为背面回波。始波与背面回波之间的时间间隔代表了超声信号穿过被测件的声程时间。如测得被测件的厚度和声程时间,则可由下式确定被测件的纵波声速[3]。