基于脉冲响应的高强度聚焦超声换能器电阻抗测量方法

　　0　引言

　　高强度聚焦超声(HIFU)治疗是近年来备受关注的无创治疗新技术，它的工作原理是将功率源产生的超声频率范围的电能转换为超声波形式的机械能，形成的高强度聚焦超声波在体内病灶处聚焦，瞬间产生65°C以上的高温，使焦域处的病变组织发生凝固性坏死，从而达到体外无创消 融 肿 瘤 的 目的[1-4]。聚焦超声换能器是HIFU治疗系统中的关键部件，它的特性直接决定超声波声场、输出功率和治疗时间等[5-9]。谐振频率、谐振阻抗和通频带等电阻抗特性是超声换能器十分重要的特性参数：谐振频率用以确定功率源电信号的频率，即治疗超声波的工作频率;谐振阻抗用来设计电功率输出的阻抗匹配网络，使换能器获得最大的电功率[10-13]。

　　高强度聚焦超声换能器和检测类超声换能器不同，其驱动电压高，输出功率大，换能器老化和声学负载等因素对其电阻抗特性的影响较大[14-15]。因此，除了在研制HIFU治疗系统前需要对超声换能器的电阻抗进行测量外，还有必要对HIFU治疗设备中超声换能器的电阻抗进行在线测量，以确保其输出稳定的声功率[16]。

　　目前，国内外通常采用精密阻抗分析仪测量超声换能器的电阻抗。阻抗分析仪的灵敏度和测量准确度高，但价格昂贵，操作要求高，且不能满足在线测量的要求。文献[17-19]分别采用直接数字频率合成(DDS)等形式的信号发生器产生扫频信号，经过功率放大器放大后驱动超声换能器，通过测量换能器电压、电流信号及阻抗角的方式得到阻抗谱。这些测量方式本质上和阻抗分析仪相同，均是基于频域的测量方式，系统构成复杂，测量成本高，与HIFU治疗系统集成难度大。

　　本文采用基于脉冲响应的时域测量方法，向高强度聚焦超声换能器施加方波脉冲激励，同时测量换能器电流和电压时域波形，通过Fourier时-频域转换，获得宽带的阻抗谱;以压电陶瓷球面自聚焦超声换能器为测量目标，与阻抗分析仪的测量结果进行对比，并提出了减小脉冲响应法测量误差、提高测量准确度的有效措施。

　　1　基于脉冲响应的电阻抗测量原理

　　1.1　基于脉冲响应的时域测量原理

　　对于被测的超声换能器，若U1(ωi)为加在换能器两端、频率为ωi的激励电压向量，设I1(ωi)为其响应电流向量，则换能器在频率ωi处的电阻抗Z1(ωi)=U1(ωi)/I1(ωi)。若以较小的步进将频率由小往大逐渐调整，同时对电压和电流信号进行测量，则可得到一定频率范围内的阻抗谱，文献[17-19]中研究的频域测量法就是基于以上原理实现的。