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聚焦超声换能器的频率和曲率半径对生物学焦域的影响

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中国超声医学杂志 2004年第2期20卷 81-84页

作者：李发琪张樯马平王智彪白晋伍烽冯若南京大学近代声学国家重点实验室声学研究所重庆医科大学医学超声工程研究所省部共建国家重点实验室南京大学近代声学国家重点实验室声学研究所 400016重庆市 210093南京

目的　探讨聚焦超声换能器的物理参数——频率 (f)、曲率半径 (R)对生物学焦域的影响 ,为优化设计适合临床应用的聚焦超声换能器提供实验依据。方法　运用 JC- A型 Haifu聚焦超声肿瘤治疗系统 ,使用 3种聚焦超声换能器 ,以一定的超声剂... 详细信息

目的　探讨聚焦超声换能器的物理参数——频率 (f)、曲率半径 (R)对生物学焦域的影响 ,为优化设计适合临床应用的聚焦超声换能器提供实验依据。方法　运用 JC- A型 Haifu聚焦超声肿瘤治疗系统 ,使用 3种聚焦超声换能器 ,以一定的超声剂量定点辐照新鲜离体牛肝脏 ,辐照结束后沿凝固性坏死最大面剖开 ,测量生物学焦域的长、短轴和体积。结果　对于任一种聚焦超声换能器 ,辐照深度一定时 ,生物学焦域的体积随换能器辐射声功率、辐照时间的增大而增大。在一定的换能器辐射声功率和辐照时间下 ,辐照深度一定时 ,当聚焦超声换能器其他物理参数固定时 ,生物学焦域的体积随换能器频率的增大而增大 ,而生物学焦域的形态指数随频率的增大而减小 ;而当聚焦超声换能器的其他物理参数固定时 ,生物学焦域的体积和形态指数随透镜曲率半径的增大而增大。结论　生物学焦域除了与声功率、辐照时间、辐照深度以及组织结构、功能状态有关外 ,还与聚焦超声换能器的物理参数如频率 (f)、曲率半径 (R)有关。在临床运用中 ,应根据临床方案优化设计适合临床应用的一定频率 (f)和曲率半径 (R)的聚焦超声换能器。

关键词：聚焦超声换能器频率曲率半径生物学焦域

基于收发一体聚焦超声换能器的浅表组织损伤实时监测研究

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传感技术学报 2022年第7期35卷 996-1002页

作者：谢伟钱骏田丽谭坚文李发琪李雁浩重庆医科大学生物医学工程学院超声医学工程国家重点实验室重庆400016 重庆医科大学生物医学工程学院重庆市生物医学工程学重点实验室重庆400016 超声医疗国家工程研究中心重庆401121

在聚焦超声治疗浅表组织疾病过程中,尚无有效的手段对焦域组织损伤进行监控。以聚焦超声换能器为基础,构建了一套超声治疗和损伤监控一体化的超声脉冲回波信号监测系统。将获取的超声脉冲回波信号进行滤波,提取焦域范围内的回波信号包络... 详细信息

在聚焦超声治疗浅表组织疾病过程中,尚无有效的手段对焦域组织损伤进行监控。以聚焦超声换能器为基础,构建了一套超声治疗和损伤监控一体化的超声脉冲回波信号监测系统。将获取的超声脉冲回波信号进行滤波,提取焦域范围内的回波信号包络,进而得到包络信号的积分值,用该积分数值大小来表征超声脉冲回波信号的强弱。计算出回波信号的相对变化值,从而分析出回波信号的相对变化与组织损伤的关系。离体牛肝实验结果表明:在相同辐照模式下,随着辐照回合数增加,回波信号相对变化值随之增大,组织损伤面积也随之增大。根据换能器接收的回波信号变化可以判断离体组织亚毫米级损伤的形成,且回波信号的强弱与离体组织损伤大小吻合度良好。这为聚焦超声治疗浅表组织疾病提供了一种具有一定应用前景的损伤监测方案和手段。

关键词：收发一体聚焦超声换能器脉冲回波实时监测

聚焦超声换能器电阻抗模型与电声特性测试研究

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聚焦超声换能器电阻抗模型与电声特性测试研究

作者：刘阳重庆医科大学

学位级别：硕士

研究背景聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,其稳定有效的工作是安全治疗的有效保障。换能器的电阻抗特性是治疗频率选择和驱动功率源设计的重要依据。根据压电振子的理想电阻抗模型,可通过电阻抗谱曲线来确定其谐振频率点,从而... 详细信息

研究背景聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,其稳定有效的工作是安全治疗的有效保障。换能器的电阻抗特性是治疗频率选择和驱动功率源设计的重要依据。根据压电振子的理想电阻抗模型,可通过电阻抗谱曲线来确定其谐振频率点,从而确定压电换能器的最佳工作频率和换能器的电阻抗匹配参数。但实际的聚焦超声换能器受结构、工艺和声透镜等的影响,电阻抗模型与理想压电振子存在一定差距,从电阻抗谱曲线上难以直接确定压电陶瓷材料的最佳工作频率。通过建立和研究换能器的电阻抗模型可有效解决此问题,并为换能器和驱动电源设计提供理论依据。此外,换能器在工作过程中的电阻抗特性受声学负载、工作温度和压电材料老化等因素影响而产生一定范围的变化,影响声功率的输出和治疗效果,因此,对换能器电阻抗的实时测量对于治疗的安全有效性意义重大。反映换能器有效输出的主要指标是电声转换效率,该指标随频率变化,故换能器工作需选择合适的频率点,而实际情况下换能器处于动态变化,与静态情况的电声转换特性存在偏差,故工作参数选择不好将会影响换能器的稳定有效输出,甚至损坏换能器,进而影响治疗的安全性。目的构建球面自聚焦超声换能器电阻抗模型,从而分析其电阻抗特性,为换能器稳定输出提供依据;同时对换能器电声转换特性自动测试进行研究,快速准确的找到换能器合适的工作频率点,以达到提高治疗系统有效性和安全性的要求。方法1.建立球面自聚焦超声换能器电阻抗模型现有的换能器电阻抗模型是基于平面超声换能器建立的,为分析球面自聚焦超声换能器电阻抗模型,采用pzflex有限元软件,对其电阻抗模型进行构建,通过比较换能器仿真结果与实际测量的电阻抗特性来验证该模型的有效性。2.基于脉冲响应法测量换能器电阻抗谱为了实时测量换能器工作状态下的电阻抗特性,基于上述所得换能器电阻抗模型,利用脉冲响应法对换能器电阻抗谱进行测量,为验证脉冲响应法测量换能器电阻抗谱的有效性,本文采用有限元对其进行仿真计算,并将仿真结果与实验测量值进行比较,同时对激励信号进行优化选取,从激励信号功率谱密度的角度进行分析,提出了优化选取激励信号的方法即能量集中和‘3db’衰减法,能量集中法是指将激励信号主要能量区域分为单调与不单调两种情况,对其功率谱密度分布进行分析,从而选取合适的激励波形;后者是在选取的波形中,依据波形脉宽影响波形能量在不同频段分布不同的理论,按照实际测量需求,而提出的脉宽优化选取方法。为验证优化选取方法的有效性,搭建相应测量平台,以方波脉冲,高斯脉冲和一阶微分高斯脉冲为例,获取不同脉宽和不同类型脉冲信号下换能器电阻抗谱,通过比较激励信号下换能器电阻抗谱来验证优化选取方法的可靠性。3.换能器电声转换特性自动测试为获取聚焦超声换能器实时电声转换特性,构建一套自动测试系统,采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率;运用辐射力天平测量换能器输出声功率;采用图形化开发环境labview开发自动测试软件。基于所开发的测试系统,测试换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率,分析换能器的工作频带,采用变异系数对系统的稳定性进行分析,并与人工测试方法作对照。结果1.运用仿真软件对球面自聚焦超声换能器进行了电阻抗模型构建,相比于实际值,理论模型下所得换能器谐振与反谐振频率变化均小于3%,且两频率点电阻抗值变化均不超过15%,这说明仿真结果与实测值吻合较好,从而证实了所构建的电阻抗模型的有效性。2.由仿真计算与实际测量值可知,相比于实测值,仿真所得换能器谐振频率减小了0.13mhz,反谐振频率减小了0.22mhz,两者变化率均小于3%,相应的电阻抗值变化了0.5Ω和2.09Ω,两幅值变化率均不超过10%,这说明仿真结果与实测量值吻合较好,从而证实了脉冲响应法测量换能器电阻抗谱的有效性。在脉宽均为100ns,激励电压为50v情况下,对于不同激励信号,方波脉冲激励下所获取的电阻抗谱产生畸变,高斯脉冲信号和一阶微分高斯脉冲信号所得电阻抗谱与实际测量值吻合较好,这两激励信号所获得换能器谐振与反谐振频率变化率均小于2%,而相应的反谐振频率处电阻抗值变化率则不同,前者为23%,后者只有5%,从而说明脉冲激励波形能量越集中于测量频段对测结果越有利;在激励电压为50v情况下,对于不同脉宽的激励信号,脉宽为31.5ns的方波脉冲和脉宽为123ns的一阶微分高斯脉冲分别激励换能器,其相应的电阻抗谱与实际测量吻合良好,且两信号的功率谱密度均符合3db衰减法。从而说明了3db衰减法对于脉冲法测量换能器电阻抗谱的有效性。3.对于电声转换效率曲线的测量,人工测试需时大约110min,自动测试只需17min,自动测试系统单次测试时间缩短了5倍以上,在驱动功率分别为10w、20w和30w情况下自动测试系统的变异系数分别为4.06%、4.31%、4.65%,人工测试的变异系数分别

关键词：聚焦超声换能器电阻抗模型电阻抗谱电声转换特性

基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统

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中国生物医学工程学报 2017年第3期36卷 322-328页

作者：刘阳谭坚文曾德平钟志明陈志聪重庆医科大学生物医学工程学院省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室重庆市生物医学工程学重点实验室重庆市微无创医学协同创新中心重庆400016 重庆通信学院重庆400035 超声医疗国家工程研究中心重庆401121

聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,电声转换效率是衡量其性能重要指标之一,实际工作中常以电声转换特性来确定治疗系统的工作频率和驱动参数,这对其测试系统的准确性、效率和便捷性提出很高的要求。为此,构建一套自动测试系统,... 详细信息

聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,电声转换效率是衡量其性能重要指标之一,实际工作中常以电声转换特性来确定治疗系统的工作频率和驱动参数,这对其测试系统的准确性、效率和便捷性提出很高的要求。为此,构建一套自动测试系统,采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率;运用辐射力天平测量换能器输出声功率;基于虚拟仪器技术开发上位机自动测试软件,实时采集和处理测量数据。基于所开发的自动测试系统,测试换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率,采用变异系数对系统的稳定性进行分析,并与人工测试方法作对照。结果表明,测试系统具有较好的准确性,且单次测试时间可缩短5倍以上,在驱动功率分别为10、20和30 W情况下,自动测试系统(变异系数分别为4.06%、4.31%、4.65%)比人工测试(变异系数分别为4.14%、4.69%、5.83%)更稳定,满足测试系统应用需求。

关键词：聚焦超声换能器自动测试电声转换效率虚拟仪器技术

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双频高强度聚焦超声换能器应用研究进展

声学技术 2018年第3期37卷 243-247页

作者：刘欢李发琪重庆医科大学生物医学工程学院省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室重庆市生物医学工程学重点实验室重庆市微无创医学协同创新中心重庆400016

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)消融实体肿瘤已在临床治疗中展示出良好的应用前景。HIFU消融肿瘤技术由于其使靶区肿瘤组织瞬时升温至60℃以上,产生不可逆性凝固性坏死,同时不影响靶区外正常组织而被广泛应用... 详细信息

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)消融实体肿瘤已在临床治疗中展示出良好的应用前景。HIFU消融肿瘤技术由于其使靶区肿瘤组织瞬时升温至60℃以上,产生不可逆性凝固性坏死,同时不影响靶区外正常组织而被广泛应用。目前治疗用超声主要使用单频率高强度聚焦超声,但其临床应用的主要限制是靶区组织消融时间较长,靶区外正常组织损伤风险较大。缩短靶区组织消融时间,对于提高HIFU治疗效率,更好地应用于临床较为关键。在总结HIFU换能器的特性和影响HIFU治疗因素的基础上,综述了应用不同类型的双频HIFU换能器强空化和缩短靶区组织消融时间等方面的研究进展。

关键词：高强度聚焦超声聚焦超声换能器双频消融

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热疗用聚焦超声换能器的研究

应用声学 2000年第3期19卷 20-23页

作者：钱盛友邢达孙福成王鸿樟湖南师范大学物理系长沙410081 华南师范大学激光生命所广州510631 上海交通大学生物医学工程系上海200030

本文通过数值计算及实际测量，研究了凹球面声透镜聚焦换能器及凹球面自聚焦换能器产生的声场，证实此两种聚焦方式均可获得理想的聚焦效果，但自聚焦方式更适合高强度聚焦超声（HIFU）加热治疗。

关键词：热疗聚焦超声换能器 HIFU

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声超构聚焦超声换能器设计

声超构聚焦超声换能器设计

作者：汪江海杭州电子科技大学

学位级别：硕士

作为一种新型非侵入式超声治疗技术,高强度聚焦超声技术具有非接触、无创性、安全性和高效性等众多优点,在超声医学领域具有广泛的应用前景。聚焦超声换能器作为其产生并汇聚超声波的部件,其性能直接影响聚焦超声治疗效果,而如何抑制压... 详细信息

作为一种新型非侵入式超声治疗技术,高强度聚焦超声技术具有非接触、无创性、安全性和高效性等众多优点,在超声医学领域具有广泛的应用前景。聚焦超声换能器作为其产生并汇聚超声波的部件,其性能直接影响聚焦超声治疗效果,而如何抑制压电复合材料的横向振动耦合效应以及如何提高换能器的聚焦性能是目前亟待解决的问题。因此,本文结合声子晶体和声学超材料理论,设计了一种开设周期性梯形槽的声超构聚焦超声换能器,提高了高强度聚焦超声治疗的效率和安全性。主要的研究内容如下:(1)研究声子晶体带隙特性对1-3-2型压电复合材料横向振动的抑制效果以及工作性能的影响。设计了正方晶格型和六角晶格型两种1-3-2型压电复合材料,利用有限元法计算其带隙和谐振频率;仿真对比分析压电复合材料整体及单胞在其谐振频率下的振动模态,结果表明:谐振频率在带隙范围内的六角晶格型压电复合材料具有更纯净的厚度振动,证明声子晶体带隙特性能够有效抑制1-3-2型压电复合材料的横向振动;仿真对比分析压电复合材料的发射电压响应级和总声压级分布,结果表明:谐振频率在带隙范围内的六角晶格型压电复合材料的工作带宽是正方晶格型压电复合材料的3.2倍,证明声子晶体带隙特性能有效拓宽1-3-2型压电复合材料的工作带宽。(2)基于声学超材料理论设计了一种开设周期性梯形槽的声超构透镜,仿真对比分析传统声透镜、开设周期性矩形槽的声超构透镜和开设周期性梯形槽的声超构透镜三者聚焦性能的差异,结果表明:开设矩形槽的声超构透镜能在一定频率范围内利用声异常透射和声准直效应来增强聚焦和抑制旁瓣,而开设梯形槽的声超构透镜能在这基础上进一步增强聚焦和抑制旁瓣,同时聚焦增强的频带宽度拓宽了6.5k Hz,达到了40.9k Hz;研究梯形槽周期、深度、宽度和锥角等结构参数对声超构透镜聚焦性能的影响。(3)提出一种结合最优拉丁超立方法抽样、径向基函数神经网络模型和NSGA-II算法的声超构透镜结构优化设计策略,并利用有限元仿真验证优化设计策略的有效性,仿真结果表明:优化后的声超构透镜能够实现500.2k Hz～549.8k Hz频率范围内的聚焦增强,相较于优化前,聚焦增强的频带宽度拓宽了8.7k Hz,减小了与目标频率的偏移,聚焦增益提高了0.99d B。(4)设计并制备能同时实现良好的声阻抗匹配和横向振动抑制的声阻抗梯度匹配层;制备开设周期性梯形槽的声超构聚焦超声换能器样件,与传统声透镜聚焦超声换能器和开设周期性矩形槽的声超构聚焦超声换能器进行聚焦性能对比;搭建实验平台测试聚焦超声换能器在其谐振频率下工作时的聚焦性能。实验结果表明:开设周期性梯形槽的声超构透镜能进一步增强聚焦和抑制旁瓣,与仿真结果相吻合,从实验上验证开设周期性梯形槽的声超构透镜在聚焦性能上的优越性。

关键词：聚焦超声换能器 1-3-2型压电复合材料声子晶体声超构透镜声异常透射

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一种行波驻波组合式聚焦超声换能器的研究

一种行波驻波组合式聚焦超声换能器的研究

作者：王洵之重庆医科大学

学位级别：硕士

研究背景聚焦超声换能器是HIFU(High Intensity Focused Ultrasound)治疗设备的核心部件,该部件的材料、聚焦方式、频率、形状结构以及其他性能参数都会直接影响换能器的声焦域形态,从而影响治疗精度。在以往的研究中,多是基于球面自聚... 详细信息

研究背景聚焦超声换能器是HIFU(High Intensity Focused Ultrasound)治疗设备的核心部件,该部件的材料、聚焦方式、频率、形状结构以及其他性能参数都会直接影响换能器的声焦域形态,从而影响治疗精度。在以往的研究中,多是基于球面自聚焦,声透镜聚焦,多元组合式聚焦以及电子相控阵聚焦4种聚焦方式的行波聚焦超声换能器。这几种形式的聚焦超声换能器形成的-6dB声焦域尺寸较大,焦域整体为雪茄形状,通常焦域长轴大于6个波长,长轴与短轴的比值大于3,焦点能量较为分散,使得聚焦精度较低,不能有效的避免正常组织损伤。而声场中驻波的存在可以有效降低聚焦超声换能器焦域的长轴与短轴的比值,获得更小的焦域体积,使超声能量更为集中,甚至能够使焦域尺寸达到亚波长尺度。因此,本课题设计一种可以改变焦域形态,尤其是改变长轴与短轴之比的行波驻波组合式聚焦超声换能器,研究在不同结构尺寸下声场的变化规律,以此寻找换能器最佳结构参数。目的为了准确设计和优化能够改善焦域形态的聚焦超声换能器,以鼓形驻波换能器为基础,研究换能器在不同结构参数条件下声压分布以及焦域形态随之的变化规律。确定改善焦域形态,缩短长轴与短轴之比的换能器结构参数,同时设计制造一种聚焦夹角大于180°的行波驻波组合式聚焦超声换能器加以验证。方法1.在行波聚焦理论基础上,推导辐射声场中含有行波和驻波的换能器声场理论计算公式,并计算不同结构参数下的声场分布情况及声焦域尺寸。2.采用COMSOL软件建立仿真模型,换能器设计为鼓形驻波聚焦超声换能器(聚焦夹角360°),研究不同球台高度下声压分布、声焦域形态等方面的变化趋势,找寻最佳球台高度参数。以此为基础,改变换能器聚焦夹角,使换能器的聚焦夹角在90°70°范围变化,间隔为30°,研究聚焦夹角改变时,声压、声焦域形态等方面的变化趋势。3.基于仿真模型设计并制作一个鼓形聚焦超声换能器,使用阻抗分析仪测试换能器的电学性能,并用聚焦超声声场扫描系统测量换能器驻波声场和行波驻波共聚焦的声场,对理论、仿真、实验结果进行对比分析。结果1.在线性条件下,利用瑞利积分,在中心开孔的凹球面聚焦超声换能器声场理论计算基础上,将鼓形驻波换能器的开口部分视为孔,改变换能器积分上下限,推导出了换能器声场三轴方向上理论计算公式。通过MATLAB进行数值计算,对传统行波聚焦与驻波聚焦所形成的声场分布进行对比,发现驻波换能器较行波换能器的聚焦精度能提高了7倍以上。2.利用COMSOL多物理场仿真软件,对鼓形驻波换能器进行有限元仿真,发现随着球台高度的增加,换能器形成的声焦域由长椭球形逐渐趋于圆形,当球台高度≥1.4F时,焦域尺寸均可达到亚波长尺度。选取球台高度1.6F,改变换能器的聚焦夹角,当其聚焦夹角为≥210°时,换能器形成的声焦域尺寸可达到亚波长尺度,且主要声辐射面焦域的长轴与短轴之比小于2。3.依据上述理论计算和仿真结果,设计制作了一个可改变聚焦夹角的鼓形换能器,其内径160mm,球台高度128mm(1.6F),测得换能器的压电陶瓷各阵元频率在986±8KHz之间。在相同聚焦夹角下,换能器不同发声区域的谐振频率最大差值不超过5KHz,阻抗最大差值不超过3Ω。实验测得换能器聚焦夹角360°时的焦域尺寸为.073λ×.060λ×.066λ。当换能器聚焦夹角为210°、240°、270°时对应的焦域尺寸分别为.10λ×.07λ×.093λ,.087λ×6.0λ×.097λ,.08λ×.053λ×.092λ。结果表明聚焦夹角≥210°时,主要声辐射面的长轴与短轴之比小于2,焦域尺寸均达到了亚波长尺度,实际测量值与理论计算和仿真结果近似。结论虽然推导出的声场理论计算公式是在线性条件下,且没有把换能器声发射面反射的声波纳入计算,但与COMSOL有限元仿真结果对比,声焦域尺寸平均偏差不超过5%,这说明在线性声场条件下,使用瑞利积分的方法,用理论公式计算含有驻波声场的换能器是有效的。运用COMSOL软件建立鼓形驻波换能器的有限元仿真模型,得到了不同球台高度换能器的声场分布以及声焦域尺寸的变化趋势。当球台高度为1.6F时,改变换能器聚焦夹角,其焦域尺寸从0.92λ×0.87λ×.321λ逐渐缩小到0.82λ×0.47λ×0.72λ,主要声辐射面焦域长轴与短轴之比从3.69降低到了1.53,聚焦夹角≥210°时可使聚焦精度提升到亚波长尺度。最后通过理论计算、仿真模拟和实验验证对比分析,表明这种聚焦夹角≥180°的行波驻波组合式换能器最佳球台高度为1.6F,最佳聚焦夹角应≥210°,该种换能器的焦域形态相对于行波换能器可以得到明显改善,能够将聚焦精度提升到了亚波长尺度。

关键词：聚焦超声换能器驻波有限元仿真声焦域亚波长

用于眼球测量的聚焦超声换能器声学参量测量方法的研究

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声学技术 1994年第3期13卷 135-138页

作者：袁易全管泓东南大学

脉冲时域测试系统是一种新颖的宽带测试系统，对高频（例如７ＳＭＨＺ以上）测试尤其适用。通过计算机对脉冲响应的富氏变换，而自动获取换能器的宽频带参数，这种方法速度快、频带宽、功能多及操作简易。本文通过对一种用于眼球测量的... 详细信息

脉冲时域测试系统是一种新颖的宽带测试系统，对高频（例如７ＳＭＨＺ以上）测试尤其适用。通过计算机对脉冲响应的富氏变换，而自动获取换能器的宽频带参数，这种方法速度快、频带宽、功能多及操作简易。本文通过对一种用于眼球测量的８．３ＭＨＺ聚焦超声换能器（进口仪器配套件），用连续波与脉冲波两种测量方法，校正若干主要声学参量。结果表明；二者的接收频响特性相当吻合。

关键词：聚焦超声换能器眼球测量声学参量测量方法