热释电效应与超声衰减结合的离体温度估计

发布时间：2020-04-20

　　摘要：针对不规则介质引起的超声信号方向改变对超声测温的影响，提出结合热释电传感器和衰减系数温变性的超声测温方法.构建并论证由超声、待测体和热释电传感器组成的测温模型.设计制作具有高吸声特性的传感器，评价该传感器的超声信号的响应性能.结果显示，传感器的输出电压与到达的超声功率成正比，功率灵敏度为3.117mV/W，测量误差小于2.5%.通过估计离体猪肉组织温度验证测温方法的准确性，传感器的输出信号时域能量与组织温度的相关性达到0.9755，该方法估计的温度与热电偶测量值基本一致，估计误差小于3.95°C.实验结果表明，利用热释电传感器与超声能够测量出组织的温度的变化.

　　关键词：超声测温;热释电传感器;衰减系数

　　超声测温具有兼容性高、实时性好、对人体危害小等优点，因而受到了广泛的关注[1-2].测温过程中用以表征温度变化的声学参数包括声速、非线性系数、散射系数和衰减系数[3-4]，选择适合的声学参数及其测量方式一直是超声测温研究的热点和难点.Seip等[5-6]利用声速的温变性，实现对组织的温度测量，但基于声速的测温法必须精确测量回波脉冲，易受到呼吸的影响;Liu等[7]利用非线性系数估计生物组织的温度，基于非线性系数的测温法在体测量较困难;Arthur等[8-9]利用背向散射能量实现对温度场的成像，但基于散射系数的测温法温度空间分辨率不高;Clarke等[10-12]通过实验证明，生物组织的衰减系数具有温变性，衰减系数的温度敏感程度高，且衰减系数是临床常用的组织定征手段.衰减系数测温法的技术可行性更高，临床适用性更大.

　　声衰减系数的测量是衰减系数测温法的关键，传统衰减系数测温法的超声探测器是相位敏感的，声波折射会影响测量结果.先考虑小面积的接收换能器，由于待测目标的不均匀性，超声信号透过目标后方向可能发生改变并偏离探测器，导致测量的衰减系数偏大.虽然能够通过增大探测器的面积来确保探测器能接受到信号，但利用压电效应原理的超声探测器属于相位敏感型传感器，输出响应的是复杂压力的空间平均值，相位抵消将影响测量结果[13]，一个好的解决办法是使用大面积的相位不敏感传感器[14]，用包含整个声束的声功率代替局部声强来表征衰减系数.在综合分析现有研究的基础上，将衰减系数作为超声测温的理论基础，凭借声衰减系数的温度敏感性获得高温度分辨率，且不用精确测量超声传播时间.利用热释电效应制作相位不敏感的超声探测器，减少折射对测量的影响，特别是对不规则样品衰减系数的测量.用热释电传感器检测经过待测目标后的超声信号的变化，实现非接触测量组织的温度变化，从传感器方面为超声无创测温提供新的研究思路.

　　1测温模型与理论

　　本文的新颖之处在于将热释电传感器引入了超声测温.热释电材料不同于其他材料的地方在于其拥有自发极化的性质，在撤去电场后可以保持极化状态，且极化的大小与温度相关，因此可以用于温度检测.热释电传感器具有探测率高、可设计大面积均匀敏感面和频率响应宽等优点[15].将热释电传感器引入超声测温，利用其对相位不敏感的特性，测量由背衬吸收声能转化而来的热能，实现对到达传感器声功率的测量.考虑待测体温度与声衰减系数的关系，完成对待测目标温度的测量.

　　1.1测温模型

　　测温方法的原理图如图1所示，换能器受到激励发出超声信号，超声经过待测物体后被热释电传感器拦截，超声能量在进入背衬很短距离内快速转化为热能，造成薄膜-背衬界面温度变化，紧贴在背衬表面的热释电薄膜响应温度变化产生电荷，通过电路转化为热释电电压.温度变化引起组织对超声的衰减程度发生改变，则到达传感器的声功率发生变化，传感器的输出随之发生变化，根据变化量可以求出温度变化量.

　　1.2测温理论

　　为了得到热释电传感器的响应与待测目标的关系，理论推导时作了如下假设：模型是一维的声传播;达到传感器的声信号为平面波;热释电传感器的传热是轴对称的.虽然实际情况比假设更复杂，但简化模型主要是为了帮助证明热释电传感器用于超声测温的可行性.R1=ρ1c1R2=ρ2c2ρc

　　1.2.1热释电传感器对声场的测量　为了得到传感器对声场的响应，简化超声入射到传感器的情况，示意图如图2所示.图中，和分别为水和热释电传感器背衬的声阻抗，和为介质的密度和声速.设定声传播方向为Z轴，假设平面波从水入射到传感器，由于两边的特性阻抗不同，一部分声波会在界面发生反射，另一部分进入传感器.

　　水中的声场由入射波和反射波组成，假设入射波为pi=piAexp[j(ωt−kz)]，则水中的声压可以表示成

　　p1(z,t)=Aexp[j(ωt−kz)]+Bexp[j(ωt+kz)].(1)

　　pipr式中：ω为声源简谐振动的源频率;k为波数，k=ω/c，其中c为介质的声速.对比入射波可以看出，式(1)右边第1项表示沿Z轴正方向前进的波，即原来的入射波，因此A是一个常数，表示入射波的幅值;第2项为沿Z轴负方向的声波，表示入射遇到反射界面后的反射波，其中B为反射波的幅值.

　　2设备与实验方法

　　热释电传感器是实验的重要组成部分，本文的传感器示意图如图5所示.传感器主要由3部分组成：热释电薄膜、吸声背衬、外壳.热释电薄膜的作用是响应薄膜-背衬处温度的变化，输出检测信号，为了保证声透性和较高的热释电系数，选用极化的聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜[17]，并在薄膜外侧添加一层隔水层.背衬的吸声特性严重影响传感器的性能，必须能够充分吸收声能，选择的背衬主体材料为聚氨酯橡胶，再通过材料微球膨胀剂增大背衬衰减系数[18]，当超声频率为1MHz时，利用插入取代法测得衰减系数达到64dB/cm，这意味着超声信号在进入背衬不到2mm的距离就会被衰减95%.外壳用有机玻璃制成，用于固定背衬和热释电薄膜.传感器的参数如表1所示.表中，Ds为传感器直径，dPVDF为PVDF厚度，αPVDF为PVDF衰减系数.

　　实验分为两部分.第1个实验是评价热释电传感器测量声场的性能，由于传感器的面积较大，且拦截整个声束，以声功率作为变量.将传感器放置于换能器的聚焦区域，开展多组实验，判断传感器的稳定性和功率灵敏度.第2个实验是验证测温的有效性，实验示意图如图6所示，主要由以下几个部分组成：1)信号发生器;2)水槽;3)超声换能器;4)热释电传感器;5)示波器;6)支架;7)待测目标;8)热电偶温度计.信号被功率放大器放大之后驱动超声换能器，超声信号经过待测目标后被传感器拦截，信号经BNC导线引出，被示波器采集保存.在实验过程中，用热电偶实时监测水温和待测目标的温度，用温控加热器控制水温.测温实验所用的材料为新鲜的猪肉片，材料的尺寸是70mm×40mm×8mm，以约2°C的步长从22°C加热到50°C，加热方式是用水浴加热后，待组织与水温相差不超过0.3°C时，再将组织放到标定的位置，立即用热释电传感器进行测量.

　　该实验的信号和功率放大均由AG1021功率放大器(T&GPowerConversion.Inc)完成，输出信号为1MHz的正弦波，默认情况下，驱动功率为5W.实验所用的换能器是特征频率为1MHz的曲面聚焦换能器，孔径为10mm，焦距约为10mm.使用TektronixTDS3012C数字示波器采集数据，数据后处理在电脑上进行.为了获得产生的传感器输出电压，接通超声换能器2s后关闭，总共记录10s的信号数据.

　　3实验结果与分析

　　PVDF薄膜不仅具有热释电效应，而且具有压电效应，因此得到的信号中包含热释电信号、压电信号和噪声，但是热释电信号是低频信号，频率与压电信号有明显的区别.用示波器采集信号后，用截止频率为10Hz的低通滤波器对信号进行滤波，得到的热释电信号如图7所示.图中，ton为打开超声换能器后传感器达到最大值所用的时间;toff为关闭换能器后达到最小值所用的时间;tturn-off为换能器关闭的时间;Uon为打开换能器后的输出最大值;Uoff为关闭换能器后输出的反向最大值.在打开换能器之后，热释电信号迅速增大，在343ms后达到最大值Uon，然后幅值逐渐降低;关闭换能器后，相当于施加了负向的热源，热释电信号快速转化为负值，在335ms后达到最大值Uoff，最后趋向于零.由此可见，热释电信号与换能器的打开与关闭相关，热释电传感器响应传感器背衬温度变化速率，而不是温度的变化值，与理论验证相一致.

　　3.1热释电传感器对声功率的响应

　　为了验证传感器的稳定性和可靠性，在相同的环境下进行5次重复的实验，超声换能器的驱动功率为5W，实验结果如图8所示.可以看出，5次实验的波形相似度非常高，5次实验的信号峰值差异小于2.5%，可以忽略不计.

　　不同的超声换能器照射时间可以用来检测热释电传感器测量信号的性能，特别是对于关闭换能器产生的负向电压.分别设计超声照射时间为2、4、6和8s的实验，实验结果如图9所示.4次实验照射前2s的实验数据一致性较好，4次实验信号的最大值误差小于均值的3%.通过实验发现，不同的照射时间在关闭超声换能器后产生的负向电压有较大差异.照射的时间越久，背衬的温度越高，与周围环境的温差越大，在关闭超声换能器，即撤去热源之后，温度降低的速率越快，电压越大.

　　响应超声功率的变化是测温方法的关键，为了探究传感器的输出与到达传感器的声功率的关系，将换能器的驱动功率以1W的间隔从1W增加到8W，重复进行5次，实验结果如图10所示.图中，P为驱动功率.可以看出，热释电传感器输出信号的峰值电压与驱动功率成正比，功率灵敏度为3.117mV/W，5次实验传感器输出与功率的相关性都达到0.99;在不同的功率水平下，传感器测量的重复性较好，标准误差都小于0.0003，说明制作的热释电传感器可以稳定地测量出超声功率.

　　3.2验证测温方法

　　θ将猪肉切成片状进行加热，将热电偶插入猪肉检测温度，利用热释电传感器测量通过猪肉的超声信号.其中超声换能器的频率是1MHz，声功率是5W.考虑到随机噪声对峰值电压的影响，选择信号时域能量表征传感器的输出.重复进行5次实验，实验结果如图11所示，换能器打开-关闭周期内热释电传感器的信号能量随着组织温度的升高而减小.图中，为组织温度，Wz为时域信号能量.

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