Efeito do tamanho do sensor na calibração de equipamento ultrassónico

Abstract

A calibração de dispositivos médicos, nomeadamente de equipamentos de diagnóstico por ultrassons, é essencial para garantir a sua eficácia e segurança. Um dos métodos de calibração comumente usado é baseado no uso de um hidrofone como elemento sensor para medir o campo ultrassónico emitido pelo dispositivo. No processo de calibração, o campo ultrassónico é mapeado com o hidrofone para encontrar o ponto de máxima pressão (localizado no foco do feixe ultrassónico), sendo o sinal obtido na saída do hidrofone proporcional ao valor médio da pressão incidente na sua superfície. Quando a área ativa do hidrofone é comparável ou maior do que a área do feixe ultrassónico no foco, o hidrofone não medirá apenas o ponto de máxima pressão, mas também as áreas circundantes, fazendo com que o sinal médio de saída subestime o valor real da pressão máxima. Este efeito indesejado é denominado efeito da média espacial. Em muitas situações, a limitação no uso de hidrofones com tamanhos apropriados deve-se à inerente redução na sensibilidade dos mesmos.As normas da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC, International Electrotechnical Commission) fornecem métodos para corrigir o efeito de média espacial quando a calibração é realizada com tamanhos de hidrofone maiores que o tamanho ideal. Porém, a correção proposta pela IEC 62127-1:2007, aplica-se a uma pequena gama de diâmetros de hidrofones.Neste estudo foi desenvolvida uma ferramenta que permitiu a simulação computacional do efeito da média espacial, para condições específicas de emissor/recetor. A partir dos sinais simulados (medidos pelos hidrofones virtuais) foi possível definir de forma empírica fatores de correção para o efeito da média espacial. Em comparação com a correção proposta pela IEC 62127-1:2007, a abordagem implementada neste trabalho apresentou resultados semelhantes para tamanhos menores de hidrofones, mas também permite estender a sua aplicação a hidrofones de diâmetros superiores. Assim, com este estudo, foi introduzida uma nova ferramenta na calibração de equipamentos ultrassônicos, que aborda o compromisso entre precisão e sensibilidade do elemento sensor.

The calibration of medical devices, namely ultrasound diagnostic equipment, is essential to ensure their effectiveness and safety. One of the commonly used calibration methods is based on using a hydrophone as a sensor element to measure the ultrasonic field emitted by the device. In the calibration process, the ultrasonic field is mapped with the hydrophone to find the maximum pressure point (located at the focus of the ultrasonic beam), the signal obtained at the hydrophone output being proportional to the average value of the pressure incident on its surface.When the active area of the hydrophone is comparable or larger than the area of the ultrasonic beam at the focus, the hydrophone will not only measure the point of maximum pressure, but also the surrounding areas, causing the average output signal to underestimate the real value of the maximum pressure. This undesired effect is called the spatial averaging effect. In many situations, the limitation in the use of appropriately sized hydrophones is due to their inherent reduction in sensitivity.International Electrotechnical Commission (IEC) standards provide methods to correct for the spatial averaging effect when calibration is performed with hydrophone sizes larger than the optimal size. However, the correction proposed by IEC 62127-1:2007 applies to a small range of hydrophone diameters.In this study, a tool was developed that allowed the computational simulation of the spatial average effect, for specific emitter/receiver conditions. From the simulated signals (measured by the virtual hydrophones) it was possible to empirically define correction factors for the spatial average effect. Compared to the correction proposed by IEC 62127-1:2007, the approach implemented in this work presented similar results for smaller hydrophone sizes, but also allows extending its application to hydrophones with larger diameters. Thus, with this study, a new tool was introduced in the calibration of ultrasonic equipment, which addresses the compromise between precision and sensitivity of the sensor element.