文章引用: 黄涛, 王龙军. 超声外科手术系统输出声功率的测量方法研究[J]. 应用物理, 2017, 7(12): 351-357. DOI: 10./

1. 概述

超声外科手术是超声技术在医学上继超声成像技术之后的又一项重大应用，其切缘整齐、创伤面小、手柄轻小、操作方便灵活、微小振幅、极大切割加速度、可达到普通手术器械不能达到的敏感部位等诸多优势，迅速成为外科手术中一种重要工具，广泛应用于普通外科、口腔科、骨科、妇产科、眼科等人体对压力及运动敏感的部位[1] [2]。

超声外科手术系统是一种能量转换和传导系统，主要基于超声波的三大效应：碎裂效应(Fragmention)、空化效应(Cavitation)和止血效应(Hemostasis)。由于作用于人体组织，这种能量的大小直接决定了手术的疗效及可能给人体造成的安全风险，世界上医疗发达的国家很早就颁布了相关的法规、规范及标准，如IEC 《Ultrasonics-surgical systems-Measurement and declaration of the basic output characteristics》[3]，对其输出参数进行检测，以确保手术安全。我国经历了尖端最大振幅法、电功率法、量热计法等，也于2009年6月1日正式颁布并实施YY/T 0644-2008《超声外科手术系统基本输出特性的测量和公布》新标准，对行业内产品进行安全和质量控制[4] [5]。为了确保设备的安全，在设备的出厂及注册检验中，需要通过一定的检测方法，来预先发现安全隐患，对设备的入市提前进行质量控制，作为作用于人体最直接的输出声功率的检测，就显得很重要。

2. 测量方法

2.1. 测量原理

超声外科手术系统治疗头尖端直接作用于人体组织，超声输出功率的大小是涉及超声进入人体安全剂量的重要参数，尽管这些装置的设计目的本身是破坏组织，但也存在辐射不期望的效应能量，因此，输出声功率是治疗过程中需要严格控制的医学参数，也是评价超声外科手术系统仪器性能的重要指标。

该类超声产品的性能输出参数主要经过了尖端最大振幅法、电功率法、量热计法以及水听器法来进行监控。

尖端最大振幅法是基于显微镜测试超声外科手术系统输出尖端的最大振幅，该方法比较抽象，只要求超声外科手术系统输出尖端最大振幅不得低于一个固定值即可，实际上，超声外科手术系统输出尖端的振幅大小并不是该设备性能好坏的标志。

电功率法是直接将超声外科手术系统设置在最大输出功率下，用已作相位修正的电功率计，直接测量超声手持部件的电功率。此方法测试的是作用于超声输出手柄的电功率，而超声外科手术系统的输出功率大小没有考虑，这跟超声输出手柄的好坏，电-声功率的转换效率的高低密切相关，也不足以表征超声外科手术系统直接作用于人体组织能量的大小。

量热计法是将超声外科手术系统治疗头尖端的末端插入含有吸声液体的量热计中，确定该液体温升的速率，并用于计算治疗头发射的功率。治疗头尖端插入的深度也能影响测量的结果。该方法测试装置复杂，引入的系统误差较大，对于以非热效应为主的超声外科手术系统而言，并不适合[6]。

水听器法作为一种新的外科手术系统输出声功率的测试方法，也叫轴向声压法[3]，它基于一个已校准的高频水听器测量治疗头尖端辐射的声压，水听器至少满足在10 MPa瞬态声压作用下保持线性的电压输出，将水听器置于距治疗头尖端30 mm到100 mm距离范围内，以减小非线性传播的影响，治疗头尖端的定位应使得尖端主振幅的对称轴与水听器导轨的平面几何轴线相重合，测量布置如图1所示，记录水听器末端输出的电压，然后分别按单极或偶极模型导出治疗头尖端向水中发射的功率。

2.2. 测量实验

本实验所使用的声强测量系统是ONDA公司生产的AIMS III声强测量系统和杭州应用声学研究所生产的RHSA-10水听器构成[7] [8]。结合相应的Soniq软件，可实时的进行声场截图，完成导出输出声输出功率的中间变量的测量。相应的实物图如图1和图2所示。

Figure 1. AIMS III acoustic intensity measurement system图1. AIMS III声强测量系统

Figure 2. RHSA-10 hydrophone图2. RHSA-10水听器

利用ONDA公司生产的AIMS III声强测量系统和杭州应用声学研究所生产的RHSA-10水听器，搭建整个测量实验的装置，如图3所示。

Figure 3. Test configuration图3. 测量布置图

对于在尖端主振幅方向上作往复运动的、起声源作用的治疗头尖端，可将其视为单极声源，将治疗头尖端深深地浸入水槽中，导出的声功率计算式为：