水听器特别特别特别“金贵”特别特别“精密”，往往一碰就无法修复，10多万就打水漂了。那么……
在做“正常”的测量，水听器会被损坏吗？
水听器有很多类型，有膜式、胶囊式、探针，以及光纤式，如何选择呢？
水听器，都必须经过校准吗？
实验用水通常需要经过过滤和去离子处理，还有除气，这又是为什么呢？
想知道答案，本期我们一起来学习生物医学超声水听器的相关知识吧！

近日，IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 期刊上发表了题为《Hydrophone Measurements for Biomedical Ultrasound Applications: A Review》的综述文章。该文章由Gerald R. Harris、Samuel M. Howard、Andrew M. Hurrell, Peter A. Lewin、Mark E. Schafer、Keith A. Wear、Volker Wilkens , and Bajram Zeqiri等多位权威专家共同撰写，详细介绍了水听器在生物医学超声应用中的测量原理、校准方法、信号处理技术以及在高强度治疗超声（HITU）中的特殊考虑。

一、摘要

本文介绍了水听器测量的基本原理，包括各种水听器设计的工作机制、灵敏度与方向性校准程序、测量过程中的实用考虑因素、信号处理方法（用于校正频率依赖的灵敏度和水听器敏感元件的空间平均效应）、测量不确定性、高强度治疗超声的特殊考虑事项，以及为特定测量任务选择合适水听器的建议。本文还对水听器测量报告中应包含的信息提供了建议。

二、介绍

生物医学声学领域涵盖了广泛的诊断、治疗和外科应用。诊断用途包括胎儿成像、血流测量、以2D或3D显示器官，以及表征组织的机械特性。治疗和外科用途包括物理治疗（轻度高温治疗）、碎石术（肾结石粉碎）、经颅神经调节，以及肿瘤的热或机械消融。

在所有这些应用中，准确表征声学输出非常重要，不仅是为了评估医疗程序的安全性和有效性，还为了满足监管机构的要求。例如，在美国食品和药物管理局（FDA）批准新的诊断超声设备之前，其声学输出数据必须证明与已合法上市设备具有实质等效性。微型超声水听器（将入射压力转换为电压）在这些测量中历来发挥着重要作用。

国际标准和技术规范详细描述了用于表征医疗超声设备的相关声学测量。这些测量包括声场中特定点的瞬时压力波形 p(t)（见图1）；峰值压缩压力和峰值稀疏压力，分别为 pc 和 pr（见图1）；均方根（rms）压力 prms；以及脉冲压力平方积分 ppsi，即 p2(t) 在脉冲波形上的积分。（注意：波形可能与图1所示的诊断成像脉冲不同。例如，碎石术波形的上升时间快得多，而治疗脉冲可能包含数百个循环。）

从这些水听器测量中，还可以计算出其他量，例如脉冲持续时间、声工作频率、空间峰值时间平均强度 Ispta 和空间峰值脉冲平均强度 Isppa。

在空间量方面，水听器对超声场的扫描可以提供焦距、焦深以及沿波束轴线各点的波束截面尺寸等信息。基于这些扫描结果，还可以推导出空间平均时间平均强度 Isata。

这些量通常用于评估超声的生物效应和安全性，分为两类：热效应和非热效应。时间平均量和均方根量与热效应相关，而时间峰值量和脉冲平均量与非热效应相关。然而，由于超声引起的生物效应是声场和暴露组织的复杂函数，这些量不能完全描述暴露情况。因此，基于水听器测量开发了额外的生物效应指数：热指数（TI）和机械指数（MI）。这些指数显示在大多数现代诊断超声成像设备上。

本文综述的目的是描述用于生物医学应用的各种水听器设计。根据国际电工委员会对水听器的定义，水听器是一种“对水中压力波动产生电信号的换能器”。因此，出现了多种换能机制，包括：电容型，压力幅度可以通过超声诱导的平行板和空气介质电容器间隙变化来计算；压电型，传感材料在机械应力作用下产生电荷；光纤型，激光光束沿光纤传播，光纤[敏感词]的光反射对纤维/液体边界处的声学变量非常敏感。

在生物医学应用中，最常见的传感器类型是压电型和光纤型，本文第II节将对它们进行讨论。第III到VIII节将涵盖水听器的灵敏度和方向性校准、测量系统基础、信号处理、测量不确定性、测量高强度压力场的挑战、为特定应用选择合适水听器的考虑因素，以及水听器测量结果报告的建议。表I提供了常用术语的词汇表。

图1. 典型的诊断性超声成像脉冲（归一化）显示峰值压缩压力（pc）和峰值稀分数压力（pr）。

表I 括号内为本文章的相关章节和数字。

三、超声波水听器设计

在生物医学声学领域，水听器的设计多种多样。最常见的类型如下：膜式水听器（MH，Membrane hydrophone）、胶囊式水听器（CH，capsule hydrophone）、针（探针）水听器（NH，needle hydrophone）、光纤水听器（FOH，fiber-optic hydrophone）。

所有水听器的响应都取决于频率和入射声波的方向。虽然方向性主要由敏感元件相对于波长的大小和形状决定，但频率响应则主要取决于元件的厚度和径向衍射共振。所列的水听器按照从上到下的顺序排列，以表示衍射现象对其低频响应的影响逐渐增强。表II列出了不同类型水听器性能的对比。

表II NEP：噪声等效压力。RT：反射型。I：干涉型。这些值是近似值，并在每种类型的不同水听器之间有所差异。这些值来自文献，但现代水听器可能使用专有、未公开的技术来获得更好的性能。NEP 值取决于所采用的指标（例如，标准偏差与峰峰值）以及是否进行了信号平均处理。对于某一类型的水听器，NEP 值通常与灵敏度和敏感元件的面积呈反比关系。NEP 值还可能包含典型前置放大器噪声的贡献。[敏感词]压力和带宽的值基于已证明的性能。更高的值可能是可实现的。标有 * 的范围高端值对应于专为高强度聚焦超声（HITU）设计的高强度水听器。详见第VII节。

A、膜式水听器

MH（水听器）的概念最早在20世纪80年代被提出。一个薄膜压电聚合物（通常是聚偏二氟乙烯，简称PVDF）被拉紧覆盖在一个支撑环上，并且仅在敏感元件区域内选择性极化。早期设备的敏感元件直径通常≥0.5毫米。然而，随着高频应用的需求增加，开发了具有0.2毫米直径敏感元件的MH。对于超高频（>20 MHz）的应用，还开发了更小的敏感元件，甚至有报道的尺寸低于40微米。

图2显示了四种MH。具有双面电极单层薄膜的水听器有时被称为共面MH。这种早期设备的灵敏度相对较低，尤其是在没有内置前置放大器时，且容易受到电磁噪声的干扰。为了解决这些问题，开发了双层MH。双层MH通过两个接地平面提供了更好的屏蔽，降低了电磁噪声。宽带差分放大器的出现能够利用共模抑制，从而使共面设备的带宽可达到140 MHz。对MH施加吸收背衬提高了其坚固性，并促进了其在高强度聚焦治疗超声（HITU）场量化中的应用（详见第VI节）。目前，这些功能已在单层和双层MH中得到商业应用。

MH表现出宽带响应，主要取决于薄膜的厚度。可以使用系统级方法或综合分析模型进行建模。其方向性响应（作为频率和入射角的函数）在入射平面波几乎垂直入射时平滑单调地减弱，但在低兆赫兹（MHz）频率和入射角超过水/PVDF界面的临界角（37°）时变得复杂。MH被常规用于传播一级压力标准，并迅速成为诊断超声设备输出量化的黄金标准，具有出色的长期稳定性。

图2. MHs.(a)-(c) Coplanar共面设计与差分放大器和(d) Bilaminar双层设计。一个典型的MH框架直径约为10厘米。

B、胶囊式水听器

CH（胶囊式水听器）被开发出来，以提供比MH(膜式水听器)更小的物理尺寸，同时减少NH(探针水听器)或FOH(光纤水听器)设计中存在的一些衍射伪影（见表I）。CH采用拉紧的PVDF薄膜，固定在一个声学吸收但与水声阻抗匹配的聚合物结构末端。这些设备的椭圆形设计减少了径向衍射模式，因此，虽然其低兆赫兹（MHz）频率响应不如MH那样均匀，但比NH设计所遇到的情况要平滑得多。

CH 的响应平坦性归因于通过将水听器的几何轮廓扩展到相对较大的区域（与NH相比，并考虑声波长）并平滑边缘，从而减少了径向衍射伪影。CH 可提供0.085到0.4毫米范围内的敏感直径（见表II）。图3展示了0.2毫米元件CH的示例。

图3. 胶囊式水听器，其长度约为6厘米。

C、针（探针）水听器

NH（探针水听器）也于20世纪80年代初开发，基于安装在同轴导电杆[敏感词]的压电元件。活性元件可以是压电聚合物或压电陶瓷。NH的频率响应受多种因素影响。在低频时，衍射（见[表I）占主导作用；由圆柱形杆的散射截面影响的伪影在NH频率响应中显而易见。

在高频时，感测元件的厚度共振和沿同轴杆的电容分压效应会引入高频衰减。NH设计提供从几十微米到几毫米的传感器直径，如图4所示。设备的总体灵敏度、频率响应中特征的位置、方向响应和空间平均效应都取决于传感器的直径或面积。

广泛的设备选择使用户可以在不同的性能指标之间做出最合适的折中。与CH类似，NH具有紧凑的形式，使其在某些测量（例如，能够更靠近聚焦换能器的辐射表面）中比MH更方便。目前，NH提供的敏感元件尺寸范围比CH更广，见表II。此外，还开发了带有保护金属涂层的NH设计，以增强其耐用性（见第VI节）。

图4. 探针水听器。

D、光纤水听器

光纤水听器（FOH）具有多种类型，包含外部（构建在光纤远端的传感机制）和内部（构建在光纤长度内的传感机制）传感机制。详细的综述可以在其他地方找到。这里只讨论最常见的外部光纤水听器类型。

在反射型光纤水听器中，激光光束沿着光纤传输，光纤的末端浸没在液体中，用于测量压力。除了传输光线外，光纤水听器硬件还接收从光纤末端反射的光，并沿着光纤传播回光学源。光纤/液体界面的反射系数取决于光纤和液体的折射率。超声波作用于光纤水听器末端时，会导致液体密度局部变化，从而改变其折射率。因此，会产生超声波引起的扰动，改变反射光的强度，这些变化会被光纤水听器检测到。由于折射率变化较小，因此反射型光纤水听器需要较高功率（3B类）激光，通常用于测量高压场，如冲击波或 HITU 源。

干涉型光纤水听器在传感器的末端采用了一个结构。这个结构可能是带有聚合物间隔层的法布里-佩罗干涉仪，也可能是由一系列介电层堆叠而成。干涉型光纤水听器使用光电二极管来检测结构末端近远边界的反射之间的干涉。当超声波作用于干涉结构时，会导致其压缩，进而调制从光纤末端反射回来的光；在某些条件下，反射光强度与瞬时压力成正比。然而，干涉仪的压缩/膨胀也可能来自热效应，干涉型光纤水听器已被证明对热变化有响应。也有报道同时测量超声压力和超声波引起的加热现象。干涉型光纤水听器比反射型光纤水听器具有更高的灵敏度，可以使用较低功率的激光（1M类）测量低于 50 kPa 的压力信号。

光纤水听器探头状的特性以及其圆形对称性会导致径向衍射伪影，影响其频率和方向响应。如果可以准确建模这些伪影，则可以进行修正。或者，可以通过几何改造光纤水听器末端来减少衍射伪影。声光转换机制也在很大程度上免受电磁干扰。因此，光纤水听器非常适合应用于需要分离声学噪声和电磁噪声信号的环境。

四、灵敏度和方向性校准

水听器必须经过校准，以便进行定量声场测量。关键的量是水听器灵敏度，单位为 V/Pa。如图 5 所示，灵敏度定义为输出电压与设备位置处存在的输入声压的比率。描述这两个量之间关系的完整传递函数通常是频率依赖的，并且是复值的。为了去卷积技术的完全校准（见第 V 节），理想情况下需要包括幅度响应和相位响应。然而，出于实际考虑，电压与压力的转换历来是通过幅度响应进行的，而不需要相位校准。或者，也可以使用最小相位原理，从幅度响应估计相位响应。

计量学（即测量科学）在建立量化框架方面起着关键作用，该框架支撑一致性、可比性和可靠性。虽然已有几种水听器校准技术被报道，但适用于医学超声的主要校准方法关注于水中声学帕斯卡的实现。在一些全球性的[敏感词]计量研究所（NMI）中，实现这一量的主要标准涉及应用光学干涉法，测量由平面进动声波引起的薄光学反射膜（厚度 <5 μm）的声学位移或速度。通过将膜放置在换能器的远场中，可以使用公式 p = ρcωd 将声学位移（d）与声压（p）相关联，其中 ω 是角频率，ρ 和 c 分别是水的密度和声速。声学帕斯卡的 SI 派生单位——单位面积上的动态力——在量纲上表示为 M · L−1 · T−2，且与国际单位制的三个基本单位相关。对于 5 MHz 下的 50 MPa 声压幅度，生成的位移几乎为 110 nm。在相同声压下，声学位移与频率成反比，这导致在高频下由于测量几纳米级位移的挑战，校准不确定性显著增加。

与许多计量学领域一样，全球一致性在实现重要单位方面必须得到国际验证。通过使用严格的协议进行水中声学帕斯卡的实际比较，涉及将稳定的水听器循环到多个 NMI 并系统地比较结果。上一次关键比较涵盖了频率范围 0.5–20 MHz，四个参与的 NMI（在 5 MHz 下）的典型主要校准不确定度为 ±3%（95% 置信度），适用于具有 1 毫米有效元件直径、高灵敏度和低噪声的理想双层 MHs。

与主要水听器校准相比，相对或比较水听器校准成本较低、耗时较少，并且更容易为最终用户所接触。然而，这些好处以更大的校准不确定性为代价（见下文）。相对校准通过将未知水听器的响应与与[敏感词]标准可追溯的第二个设备进行比较来进行。施加的声场可以调整，以定制校准。校准涉及声场的广度（以减少空间平均效应的影响），并扩展到应用的声学激励类型（连续、音调突发或脉冲）。施加波形的时间特性会影响校准的频率范围和频率分辨率。需要在广泛的频率范围内进行校准，以定义水听器的带宽（见表 I）。重要的是，相对校准系统的要求远不如主要校准系统严格，主要涉及确保两个水听器在声场中恰好处于相同的空间位置，以获得[敏感词]的信号。已经报道了使用不同激励方案对主要和相对校准技术的比较。

相对校准不确定性包括主要和次要阶段的误差。在一项调查中，NMI 提供的相对校准不确定性为：8%（1–16 MHz），12%（17–30 MHz），15%（31–40 MHz），18%（41–50 MHz），22%（51–60 MHz），适用于敏感元件直径从 200 到 1000 μm 的五个 MHs。主要和相对校准的不确定性可能取决于水听器类型、敏感元件大小、频率和其他参数。

任何校准的重要原则之一是确保校准条件与最终用户的测量应用相关。这可能涉及校准温度，但也可能扩展到测量的声场类型和任何预处理（浸泡效应）的观察，这对某些设备类型可能是重要的。校准通常在水中进行。如果水听器用于其他液体中，则可能需要考虑由于不同的声学阻抗匹配条件而改变的灵敏度。

如图 5 所示，水听器的响应通常对入射声波具有高度方向性。这是由于水听器的有效元件在逐步旋转时发生的相位抵消。方向响应可以用来推导水听器有效直径（在两个正交方向上可能不同）。有效直径通常是频率依赖的（见图 6），并且需要建立空间平均校正，特别是对于聚焦声束（见第 V 节）。通过多个旋转轴进行的方向响应可以提供有关设备敏感元件的有用信息，以及可能影响测量准确性的非对称度或额外的主动极化区域。

接受角度θA被定义为指向性的半[敏感词]宽度，如果小于 180°，则为半[敏感词]宽度，否则为 180°。对于频率（MHz）和敏感元件几何直径（mm）的乘积 = [0.2 0.5 1 2 5] MHz·mm，θA ≈ [100° 85° 75° 40° 20°] 适用于典型的 MHs，θA ≈ [180° 180° 120° 60° 25°] 适用于典型的 CHs、NHs 和反射型 FOHs。

图5. 通过绕两个正交轴旋转来测量MH的方向响应。

图6. Sonic Concepts H101传感器（3.3 MHz，F/1）在基本频率和谐波频率处的波束宽度（半[敏感词]宽度）（黑色星号）。

五、测量基础

尽管本综述的重点是水听器及其特性，但一个典型的测量系统还包括：一个适当尺寸的水槽；一种用于将水听器在空间中定位相对于超声源的方式；一个波形数据采集设备；以及一个控制计算机，用于协调测量过程。水听器将超声压力波动转换为电信号，测量系统随后分析这些信号，以确定压力幅度、强度、波束模式、总功率和其他相关的场特性。虽然本节强调自动化系统，但许多概念也适用于手动定位系统，这些系统在执行测量时也非常有用。

A、扫描水槽

基本上有两种布置方式。[敏感词]种是让超声源的声轴（即名义上的 Z 轴）保持水平，这样只需要相对较浅（约 20 cm 深）的水槽。这种方式对焦距较长（>20 cm）的声源尤其适用；同时还可以方便地在超声源和水听器之间放置材料（例如测量声衰减特性）。另一种方法是让超声源的声轴保持竖直，这通常需要更深（>50 cm）的水槽，但好处在于无需将整个声源都浸入水中，这对于测试并非完全防水的声源非常有用。

关于水槽本身，还需要考虑其反射表面、温度控制以及水质调节。对于连续波测量，应在槽壁上使用吸收或散射材料以尽量减少反射。对于脉冲波测量，槽壁处理也可能会有所帮助，但通常也可以通过对信号进行时间门控来避开反射。利用塑料浮子（直径约 2 cm）可以在一定程度上减弱水面反射：它们能够打破平整的液面边界，并减少蒸发造成的水量损失与温度波动。此外，这些浮子还能减少脱气水重新吸收空气的速度，因为它们减少了与空气直接接触的水面面积。由于水中的声速以及在某些情况下水听器的灵敏度都对温度敏感，因此必须监控或控制水温。通常将水温维持在比室温高几度能更方便地进行温度调节。最后，水槽内的水通常需要经过过滤和去离子处理（导电率约 5 μS/cm）。最初之所以需要去离子，是因为早期使用了单层、未加屏蔽的共面膜式水听器（MHs），水听器周围的水会在传感元件两侧形成导电通路，进而以频率相关的方式改变其灵敏度。而双层膜和光纤水听器则不受水体导电性的影响。通常，水听器浸入水中的时间不应超过 24 小时，但在有些情况下可以容忍 48–72 小时的浸泡。更多与具体应用相关的指导以及水质调节技术可参见 IEC 文件。对于特定类型水听器的其它环境因素（例如操作说明，以及所推荐的最短和最长浸泡时间），通常可向制造商咨询。浸泡的目的是让可能吸附在水听器结构上的微小气泡消散。

B、机械扫描注意事项

水听器的机械扫描机制有两个主要设计要求：确保水听器与超声源的声轴准确对齐；保证位置分辨率和重复性。[敏感词]个要求涉及对水听器、声源或两者的角度控制，具体方式取决于水听器的类型。例如，针式水听器（NHs）的方向性模式通常与理论计算结果一致（基于其有效传感元件尺寸），但其物理方向可能会与[敏感词]灵敏度方向存在轻微偏差。这种偏差在高频超声（或非线性波形的高次谐波）测量中尤为显著，因为水听器的方向性响应在此类情况下会变得更窄，从而导致测量误差。相比之下，膜式水听器的[敏感词]灵敏度方向严格垂直于其表面，这使得该膜片能够定义测量设置中的 X–Y 平面，并从而确定 Z 轴方向。但需要注意的是，由于边缘场效应的影响，MHs 的有效孔径可能并非严格的圆形，这可能会影响测量精度。

水听器测量的整体精度还受到 X–Y–Z 定位系统的分辨率和重复性影响。通常，定位系统的步进距离应小于声源频谱（包括谐波）中[敏感词]频率对应波长的一半。然而，在某些情况下（例如远场测量），此标准可以适当放宽，具体可参考相关应用指南。另一个需要考虑的重要问题是反向间隙补偿。反向间隙（backlash）指的是由于螺纹或齿轮的间隙而导致的定位误差，尤其当运动轴改变方向时尤为明显。使用恒力弹簧（constant force springs） 是一种有效的补偿方法。最后，当水听器以离散空间步长进行扫描时，每次移动都会导致水听器产生轻微震动。如果数据采集系统设置为获取多个波形并进行时间平均以降低噪声，则在震动完全消退（即位置“振铃”消失）之前，采集的数据可能会受到干扰。因此，水听器的安装支臂应尽可能轻且坚固，并且驱动机构与水听器之间的力臂应尽可能小，以减少震动对测量的影响。

C、波形捕获

在水听器输出信号的采集方面，数字示波器 是[敏感词]工具，而不是计算机板级采集或定制解决方案，这是因为数字示波器更容易通过外部可溯源机构进行校准。目前许多数字示波器都具有足够的带宽（>100 MHz）、位深（>8 位）以及记录长度（>2k），可以满足超声测量需求，并且能够与控制计算机进行接口连接。在波形采集过程中，示波器的触发信号[敏感词]来自被测设备（Device Under Test, DUT），而不是直接由水听器信号提供。这是因为由水听器信号触发可能会引入额外的抖动或不稳定性。一个常见的问题是示波器的输入阻抗，通常为1 MΩ || 10–35 pF 或 50 Ω。在校准水听器时，必须考虑示波器的输入阻抗，以确保校准值的准确性。特别是对于没有前置放大器（preamplifier）的压电水听器，需要进行灵敏度修正，以补偿示波器的输入电气阻抗对测量信号的影响。

D、计算机控制

扫描过程由控制计算机进行管理，该计算机与运动控制系统和示波器相连接。计算机被编程以执行多个关键功能，包括：数据采集、电压和时间刻度调整及自动缩放（autoscaling）、波形分析、超声波束扫描。此外，计算机还利用校准数据来确定适当的水听器灵敏度，从而将测得的电压值转换为声压值。虽然对每个波形进行自动缩放（即自动调整示波器的垂直刻度）可能会减慢超声波束的扫描过程，但它可以确保每次测量都保持[敏感词]的动态范围，从而提高测量的准确性和一致性。

E、测量过程

确保定位系统的中心波束（Z 轴）与换能器轴线共线至关重要。这可以通过以下步骤实现：在焦平面内进行二维扫描，找到声场的[敏感词]值；在另一平面中寻找一个明显的场[敏感词]值；比较这两个[敏感词]值的X和Y坐标；如果需要，迭代调整换能器的位置和/或方向。在确认轴线共线后，沿Z轴扫描水听器，以确定与空间峰值声压或强度相关的深度，可选择进行衰减修正（derated，模拟组织中假定发生的衰减）或非衰减修正（nonderated）的测量。接下来，在焦平面内沿X轴和Y轴对水听器进行横向扫描，以测定波束宽度（beamwidth）。空间采样间隔通常设定为测量中心频率对应波长的一半，以确保足够的空间分辨率。除了横向扫描之外，还可以执行完整的二维“光栅”（raster）扫描，以测量声源的总功率输出，或者获取声学全息数据 进行完整的三维声场重建。

六、水听器传递函数解卷积和测量不确定性

A、信号处理到解卷积的灵敏度

对于窄带、准平面波束（narrowband, quasi-planar beam），可以通过将水听器输出除以其在相应频率下的灵敏度（单位：V/Pa） 来计算声压。然而，生物医学超声通常涉及宽带波束或聚焦波束，或二者兼具，这使得测量复杂化。对于宽带波束（broadband beams），水听器的灵敏度可能会在整个声压频谱范围内显著变化。在这种情况下，计算声压时应进行水听器灵敏度反卷积（deconvolution）处理，正如图7所示。该处理通常在频域进行，即：计算水听器输出电压的频谱；用该频谱除以频率相关的水听器灵敏度；在反卷积过程中，还需考虑波形参数的不确定性评估（uncertainty determination），包括不确定性传播（uncertainty propagation）的影响。研究表明，在许多应用场景下，仅使用灵敏度幅值（magnitude）进行反卷积，其效果几乎与使用完整的复数灵敏度（complex sensitivity，包括幅值和相位）进行反卷积相当。然而，在无法直接测量灵敏度相位（phase）的情况下，仍可通过灵敏度幅值推导相位，从而实现复杂反卷积。此外，国际标准IEC 62127-1也明确强调了灵敏度反卷积在超声测量中的重要性。

图7. 使用不同类型水听器测量的压力波形，包括膜式水听器（NT、S5 和 ST）、针式水听器（ON 和 DI）、胶囊式水听器（GL） 以及法布里–珀罗光纤水听器（PA），分别展示了灵敏度反卷积前后的波形变化。一些信号在时间上存在偏移，但这不会影响峰值压缩压力或峰值稀疏压力的测量。

B、反卷积信号处理以补偿空间平均效应

对于聚焦波束（focused beams），入射声压可能会在水听器的敏感元件表面不同位置产生显著变化。因此，在进行声压测量时，必须考虑到水听器对入射声压的空间平均效应。

图6说明了空间平均效应的形成方式。该图展示了频率相关的谐波分量波束宽度与水听器的几何敏感元件直径和有效敏感元件直径之间的对比。有效直径是频率相关的，并通过方向性测量得到。

大多数空间平均校正方法假设换能器几何形状为圆形，并基于实验或数值方法进行计算。近期，一些解析滤波器（analytic filters） 已被提出，并经过验证，可用于对圆形和矩形波束进行空间平均校正。这些空间平均滤波器可用于反向滤波方法，以实现空间平均效应的校正。其中一种解析形式已被纳入国际标准。图8展示了空间平均校正的一个示例，在该示例中，峰值压缩压力的误差由23%降低至4%。

此外，时空反卷积理论（spatiotemporal deconvolution theory）已被用于推导简单计算公式，这些公式可用于无需反向滤波的空间平均校正因子快速估算。最初，这些方法专门针对膜式水听器（MHs）、针式水听器（NHs）和光纤水听器（FOHs） 进行了开发和验证，但也可能扩展适用于胶囊式水听器（CHs）。

图8. 使用反射型光纤水听器（HFO） 和 针式水听器（HNA） 测量的压力波形，分别展示了空间平均校正前后 的变化。

C、滤波

在执行反向滤波（inverse filtering） 时，如果在频域进行除法运算时分母值较小，可能会导致不稳定或异常的计算结果（erratic results）。为避免这种伪影（artifacts），在灵敏度反卷积（sensitivity deconvolution）过程中，通常使用以下滤波方法：高斯滤波（Gaussian filter），维纳滤波（Wiener filter），巴特沃斯滤波（Butterworth filter）。此外，在空间平均效应的反卷积（spatial averaging deconvolution） 处理中，维纳滤波（Wiener filter） 也被广泛采用。

D、[敏感词]适用水听器敏感元件尺寸的标准

时空反卷积理论（spatiotemporal deconvolution theory）已被用于推导水听器[敏感词]适用几何敏感元件直径的标准。与常见的IEC标准不同，这些标准具有以下特点：适用于聚焦换能器（focusing transducers），而非平面换能器（planar transducers）；可用于非线性信号（nonlinear signals），而不仅限于线性信号（linear signals）；采用几何敏感元件直径表示，而非频率相关的有效敏感元件直径，从而更容易获得和应用。

E、测量不确定性

即使在灵敏度（sensitivity）、方向性（directivity）和空间平均效应（spatial averaging）相关的变化较小或已经校正的情况下，使用多个（至少4个）水听器 对同一声源进行压力和强度测量的比较结果显示，在 1–3.5 MHz 频率范围内，测量的变异系数（coefficient of variation）约为 10%–20%。这种测量变化的大部分可能源于水听器校准的不确定性，因为校准通常是相对校准（relative calibration） 而非一级校准（primary calibration）（详见III 章节）。此外，不同水听器之间的测量差异取决于测量参数（例如峰值压缩压力、峰值稀疏压力、脉冲积分强度或波束宽度），并且这种变化通常随频率和强度的增加而增大。对于使用单个水听器进行测量的研究人员，在报告中应谨慎地承认测量不确定性至少为 10%–20%。

此外，在基于水听器的压力、强度和波束宽度测量中，必须考虑以下因素的潜在影响：水听器灵敏度的频率依赖性（frequency-dependent sensitivity），空间平均效应（spatial averaging），测量不确定性（measurement uncertainty）。

七、高强度治疗性超声的考虑事项

对高强度聚焦超声（HITU，也称为 HIFU）声场进行可靠的表征至关重要，以证明其在肿瘤消融（tumor ablation）等应用中的安全性和有效性。然而，在临床驱动级别进行水听器测量时，会遇到多个计量学挑战。[敏感词]焦压振幅和强度值比诊断性超声或超声物理治疗大几个数量级，很容易对常用于声场测量的传感器造成损伤。此外，压力波形是强烈的非线性畸变，并包括许多更高的谐波频率分量。这导致了对测量系统的带宽的额外要求。最后，一个小的传感元件尺寸是希望能够正确地确定空间峰值压力和强度值，以及由强聚焦传感器产生的小光束宽度。必须注意任何可能由水听器的声学反射引起的干扰。特别是对于接近传感器焦距的水听器测量，反射很可能被收集。如果记录了HITU传感器的声学输出的任何不稳定性，则应减少脉冲串长度，以及时地将发射周期与入射反射和多径反射的周期分开。此外，需要记住的是，在临床驱动水平上的HITU场可能会对任何聚合物材料造成损害，如传感器外壳或MH环，由于声吸收和加热而暴露在焦点区域。HITU场可能导致去极化，从而改变水听器的灵敏度。建议将水除气，以避免空化。已经进行了实验室内部比较研究，以调查不同传感器类型的适用性，以及对HITU场表征的变化的影响。

FOH已越来越多地用于HITU现场测量。但是，FOH相对昂贵，使用难度较高，不广泛使用。另外，其使用中的带宽限制，有时会无法测量所有的关键谐波信号。在焦点区域进行测量时，难以确保传感光纤[敏感词]的定位和位置稳定性。例如，在测量的过程中，已经观察到声辐射力可能会影响纤维[敏感词]的位置。此外，由光纤固定装置的机械反射引起的测量干扰也可能成为问题。适用于非常高压振幅测量的FOHs的一个实质性限制似乎是几个兆帕的相对较高的噪声等效压力（NEP）。在这种情况下，可能需要第二个更灵敏的水听器来进行焦区外的场表征。

鲁棒的压电NHs包括金属涂层的电极已应用于测量48 MPa峰值压压力，提供至少30 MHz的带宽。CHs已成功地应用于测量中等HITU场，据报道，在频率为1-3MHz时，其峰值压缩压力极限约为10 MPa。

膜式水听器（MHs）通常不被认为是非常坚固的传感器。然而，在HITU（高强度聚焦超声）测量中，MHs 具有以下优势：宽带宽、平坦且可预测的频率响应，以及小型化的敏感元件尺寸。传统的MHs已在低振幅、准线性声传播条件和中等振幅条件下应用。通过一系列焦点处不同驱动电压的测量，研究确定了在不损坏MHs的情况下可检测的[敏感词]压力范围。一种包含额外保护层的水听器设计已被开发，以增强抗空化能力（cavitation resistance）（见图9）。这些设备已被用于临床压力幅度高达80 MPa的峰值压缩压力（peak compressional pressure）下的测量[105]。然而，占空比（duty cycle）应该比临床HITU应用中的设定值更低，以避免在场测量期间产生过高的超声输出强度，并提高空化阈值（cavitation thresholds）。此外，额外的保护层会改变MHs的常规频率响应。通常，这种变化表现为整体低通滤波特性（low-pass behavior），并伴有厚度模谐振（thickness-mode resonance）（见图10）。其他方法包括一次性使用的膜式水听器（MHs）元件，以及反射型水听器（reflector-type hydrophones）。

为了能够对宽带声脉冲波形（broadband acoustic pulse waveforms）进行无偏测量，可以使用波形反卷积（waveform deconvolution）,以补偿频率相关的灵敏度（frequency-dependent sensitivities）。目前已有校准方法 可提供必要的宽带和复数值校准数据（broadband and complex-valued calibration data）。同样，有限接收元件的空间平均效应（spatial averaging effect）可通过标准化方法（standardized methods）进行校正。

图9. HIFU MH不锈钢前保护层和硅油背衬（GAMPT mbH，SI04）。

图10. 图9中的HIFU MH的频率响应的幅度和相位。对k = 2的校准数据的扩展不确定度（95%置信度）。

八、如何为您的应用选择一个合适的水听器

要从种类繁多的水听器设计中做出选择，需要对应用有一定的了解。通常情况下，用户会结合以往的经验、实验或建模来估算的压力水平、带宽和空间变化。声学信号的空间变化。然后根据以下典型考虑因素选择水听器考虑因素：

A、最小压力水平

要测量的最小压力水平应舒适地高于水听器组件的NEP——通常至少是10倍。NEP可以通过将放大器或数据采集系统的噪声水平（例如V）除以水听器组件的灵敏度（例如V/Pa)来计算。放大器的噪声水平通常由其制造商提供，并可以通过滤波和（在稳定的重复信号的情况下）平均进一步降低。对于给定的水听器类型，NEP往往与灵敏度和敏感元件面积成负相关。

要测量的最小压力也应比水听器检测到的任何同步电干扰高出10倍。这个问题通常发生在在足够接近的位置测量一个长声调脉冲时，即源传感器在声波到达时仍然被电激发。在这种情况下，应选择良好屏蔽的高灵敏度压电电池或光学水听器，见表二。

B、[敏感词]压力水平

[敏感词]测量压力应在水听器组件的线性范围内，该范围由10%非线性准则（10% nonlinearity criterion） 确定。这个阈值通常是由于预放大器的饱和或由于类似的可逆电子现象，这不会对水听器组件造成[敏感词]性的损坏。制造商可以期望提供水听器组件可以测量的[敏感词]压力，但仍在线性范围内。

[敏感词]压力的第二个考虑因素是由于空化、机械应力或加热对水听器的潜在损伤。通常，这种损伤并不是诊断应用程序所关注的问题。然而，对治疗领域的测量可能会导致损伤，需要修复或更换水听器，除非它特别坚固，如第六节所述。在涉及高压或高强度的情况下，用户应寻求水听器制造商关于减轻损坏风险的指导，见表二。

C、频率响应

如第V章节所述，反卷积（deconvolution）可以校正水听器灵敏度随频率变化的影响，从而提高测量精度。然而，使用具有更平坦频率响应（flatter response）的水听器，可能会降低测量不确定性（measurement uncertainty），并且可能无需额外的宽带校准（broadband calibration）。参考文献 [6, Sec. 5.7]提供了判断标准，用于确定何时需要进行宽带校准和反卷积，该标准基于声学信号的特性以及水听器的频率响应（frequency response）。

对于大多数水听器，频率响应是由水听器的共振频率和相关的电子设备决定的，包括前置放大器和放大器。振动的基本模式对应于传感介质内部的一半或四分之一波长，这取决于背景材料的存在和性质，从而产生最宽的带宽，从100 kHz到140 MHz。放大器可以放大电流或电压。电流放大器最小化了由于电缆长度造成的灵敏度损失，作为一个电容式分压器。电压放大器更容易实现，但需要合并在有源元件电极（理想<1至2 cm）。前置放大器复输入阻抗在确定带宽的过程中也起着关键作用，见表2。

D、敏感元素大小

通常需要一个较小的有效直径，以最小化水听器孔径上的相位和振幅变化，并降低测量对对准误差的灵敏度。如第五节所讨论的，已推导出[敏感词]几何敏感元件直径的标准，这些准则适用于由聚焦传感器产生的线性或非线性（即谐波分量中有显著能量）的声束。

一般来说，如果有效直径小于待测量的声束谱中最小声波波长的四分之一，则有效直径就足够小。然而，随着声频的增加或非线性（即谐波含量）的增加，实现这一严格的标准通常需要在灵敏度、带宽、鲁棒性和购买价格方面进行权衡；还请注意，在10 MHz以上，满足这一严格标准的水听器目前还没有上市。如第五节所述，有效直径取决于频率，大于低频时的几何直径，可以通过方向性测量得出（见图6）。对于在焦点处或在远场[6]、[138]中的线性光束的测量，可以推导出一个宽松的判据，但可能仍然难以满足。在实践中，建议选择更大的孔径，在这种情况下，V节分析可用于校正空间平均和/或评估由于孔径非理想尺寸而测量的额外不确定度，见表2。

E、水听器类型

如在第二节中所讨论的，生物医学水听器有几个形式因素。MHs，虽然通常提供[敏感词]的带宽，但仍有局限，例如，不能近距离测量弯曲声源的辐射表面。此外，具有较大反射轮廓的水听器（例如，MHs）可能会产生驻波，除非通过倾斜水听器来减轻反射，这是以方向性为代价的。因此，用户可以以牺牲带宽为代价来选择NHs和CHs。

为了测量高压（如HITU），FOHs和强大的MHs和NHs是[敏感词]。FOHs具有较高的空间分辨率，可以承受高压，但往往相对昂贵和难以使用。

九、关于报告水听器测量值的建议

为了提高测量的可重复性以及科学出版物的一致性，已有多篇文章提出了关于超声潜在生物效应研究的实验条件报告建议。作为对这些研究的补充，本文章进一步强调了涉及水听器测量的建议，并提供了更充分的论证和动机，以确保测量方法的科学性和标准化。

本文中讨论的考虑事项是表三中列出的关于报告水听器测量的良好做法的建议的基础（尽管我们了解到有些项目可能并不总是具备的）。虽然其中一些建议可以在其他地方找到，但其他一些建议则是本文所特有的。为了支持解释和指导，每个建议之后都有一个对本文中相关部分的[敏感词]式引用。

在适当情况下，这些细节应附有简要的论证说明。相关章节的解释和指导以括号形式标出。

十、结论

自1988年《IEEE T-UFFC》发表开创性的超声曝光测量专题（Special Issue on Ultrasound Exposimetry）以来，关于水听器测量标准和方法学方面已经取得了显著进展。此外，在水听器设计方面也取得了一些进展，尤其是在光纤水听器（FOHs）的开发上。FOHs具有高空间分辨率，并且能够承受高压，但通常相对昂贵且使用较为复杂。基于PVDF的膜式水听器（MHs）、针式水听器（NHs）和胶囊式水听器（CHs）在许多应用中表现良好，具有足够的灵敏度、稳固性、带宽以及时空分辨率。

水听器的完整表征需要在宽频带范围内对灵敏度和方向性进行校准。为了保证水听器测量的准确性，需要特别注意测量环境，包括水槽的几何结构、扫描装置、数据采集系统以及水体调节等因素。

不同水听器之间测量结果的主要差异来源于复杂的电声频率响应、频率相关的有效敏感元件尺寸以及敏感元件的非对称性。然而，这些差异可以通过适当的信号处理来加以修正。

测量高强度超声具有特殊的挑战性，因为信号通常具有高度非线性，并且可能会对水听器造成损坏。

为了针对特定测量任务选择合适的水听器，需要在多个因素之间进行权衡，包括最小和[敏感词]压力水平、频率响应、敏感元件尺寸、成本、易碎性以及结构紧凑性。

原文致谢：本演示文稿的内容完全由作者负责，不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。在图中包含水听器图像不应被视为背书。提及商业产品、其来源或与本文报告的材料相关的使用，不应被解释为卫生与公众服务部对此类产品的实际或暗示认可。

译者：陈炫敏，许凯亮

翻译仓促，纰漏难免，望读者海涵；

准确内容请查阅原文：DOI：

10.1109/TUFFC.2022.3213185
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