IEC TR 62781：超声学 — 聚焦换能器声场特性表征

IEC TR 62781于2012年作为技术报告发布，为聚焦超声换能器的声场特性表征提供了全面的指导。这类换能器广泛应用于医学诊断、治疗超声（包括高强度聚焦超声HIFU）、无损检测和工业加工领域。准确表征聚焦换能器产生的声场对于确保医疗应用中的治疗效果、安全性和可重复性以及工业领域的工艺控制至关重要。

该标准解决了聚焦换能器产生的三维压力场在焦区附近具有陡峭空间梯度这一基本挑战。与平面波或弱聚焦场不同，紧聚焦场中的压力分布在相当于声波波长的距离内会发生显著变化，因此需要仔细设计测量策略和适当的空间采样。本技术报告整合了来自全球研究实验室和制造质量保证程序的最佳实践，为在0.5 MHz至20 MHz的频率范围和2至超过100的聚焦增益范围内表征聚焦场提供了统一的技术框架。

测量方法与表征参数

报告定义了表征聚焦场的几个关键参数。焦距定义为从换能器表面到声轴上时间峰值压力最大点的距离。焦区定义为声压幅度超过峰值指定比例（通常为50%或-6 dB）的体积。焦深对应焦区的轴向长度。波束宽度测量通常报告在相对于峰值强度的-3 dB、-6 dB和-20 dB水平下的数值，从而全面描述焦区的形状和能量分布。

水听器测量是场表征的核心。标准推荐使用膜式水听器或针式水听器，对于1 MHz以上的测量，有效元件直径不超过0.5 mm，以确保足够的空间分辨率来解析聚焦场的精细结构。为了在焦区进行精确测量，水听器必须以不大于工作频率下声波波长四分之一的步长在三维空间中进行扫描。这一要求意味着对于3 MHz的换能器，需要约0.125 mm或更小的扫描步长才能充分采样场结构。在实际测量中，自动化扫描系统通常使用高精度步进电机或压电定位平台，在三个轴向上实现微米级的定位精度。

声压场测绘使用自动化扫描系统进行，在每个空间位置记录压力波形。从这些测量中推导出多个参数：正峰压、负峰压、脉冲强度积分和机械指数。对于治疗应用，报告强调需要对这些测量值进行降额修正以考虑组织衰减，通常对软组织使用0.3 dB/(MHz.cm)的降额因子，在典型治疗深度下，这可能会使原位压力相对于水中测量值降低30-50%。正确进行降额修正对于确保治疗计划的安全性和有效性至关重要。

聚焦场表征的一个关键方面是线性和非线性传播状态的区别。在治疗超声中使用的高压力下，非线性传播会显著畸变波形，产生高次谐波并导致冲击波形成。报告提供了通过测量压力波形的谐波分析来识别和量化非线性效应的指导。在峰值压力超过5 MPa的强聚焦场中，二次谐波分量可达到基波幅度的20-30%，从根本上改变了组织中能量吸收的空间分布，需要在治疗计划算法中仔细考虑。此外，非线性效应还可能导致焦区出现旁瓣结构，这些旁瓣虽然强度较低，但在某些治疗场景下可能对焦点外组织造成不必要的加热。

聚焦换能器系统工程设计见解

从工程角度来看，聚焦换能器的设计涉及平衡多个相互竞争的要求。孔径尺寸和曲率半径决定了聚焦增益和焦深：更大的孔径和更短的曲率半径产生更紧的焦点和更高的增益，但焦深减小。对于需要精确定位小肿瘤（直径1-3 cm）的医疗应用，通常使用F数（焦距/孔径直径）为0.8至1.2，在焦点锐度和工作距离之间取得良好平衡。对于浅表组织治疗，较小的F数结合较短的焦距可提供更高的焦区能量密度，而对于深部组织治疗，需要较大的F数以在保持可接受焦区尺寸的同时延伸治疗深度。

工作频率的选择涉及空间分辨率和穿透深度之间的基本权衡。更高的频率产生更紧的焦点区，但在组织中衰减更大。在1 MHz时，衰减将治疗应用的穿透深度限制在约10-15 cm，而在5 MHz时，有效穿透通常限制在3-5 cm。多元件相控阵换能器能够电子转向和塑造焦区，通过自适应聚焦技术提供对组织不均匀性的动态补偿。这些阵列需要根据IEC TR 62781指南进行单独的通道校准和场表征，以确保所有元件的组合场产生预期的压力分布。相控阵系统的校准精度直接影响焦区的定位精度和旁瓣抑制性能。

报告还讨论了测量不确定度，这对于临床应用尤为重要。焦点处峰值负压测定的组合不确定度通常为15-25%，主要来源包括水听器校准不确定度（10-15%）、定位精度（5-10%）和波形数字化（3-5%）。设计质量保证协议的工程师必须建立能实现治疗用波束表征目标扩展不确定度（k=2）不超过30%的测量程序，对于诊断应用，由于安全指数取决于准确的压力测定，要求更为严格，需达到20%。随着自动化测量系统和宽带水听器技术的发展，聚焦换能器场表征的精度和可重复性正在持续提升。