高分辨率扇形阵列超声激发振动声成像研究

对扇阵换能器的振动声成像进行了研究.在相关振动声成像和扇阵换能器的理论基础上，经过推导修正并得到了精确的速度势函数.进一步计算并仿真了系统点扩散函数（point spread function, PSF），构造了组织模型，进行了成像仿真.最后分析了影响扇阵换能器系统分辨率的因素.研究结果表明：用扇阵换能器进行振动声成像可以获得很高的图像分辨率及对比度，在高强度聚焦超声（HIFU）治疗的热损伤检测等方面有重要的应用价值.分析指出通过提高换能器工作频率，减小几何焦距，增大口径可以提高系统的分辨率. 关键词： 振动声成像 扇形阵 点扩散函数     

热疗用聚焦超声换能器的研究

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。     

纵振驱动球面弯曲振动超声聚焦系统的聚焦特性*

为了将超声聚焦效应应用于工业加工中的冷却技术中,该文提出一种由夹心式换能器纵向振动驱动球面弯曲振动超声聚焦系统。基于基尔霍夫-亥姆霍兹声场理论分析了由换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动组成的复合超声振动条件下的声场聚焦特性,并通过实验进行验证。研究结果表明,该聚焦系统具有显著的聚焦特性,球面弯曲振动将声能汇聚在声场焦区;当声场相位相同时,换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动产生的声场在焦区发生叠加,可以进一步提高焦区声压;减小换能器中心面半径和球面曲率半径、增加球面开口半径可以增强复合超声振动的聚焦效果。     

变厚度聚焦换能器对声焦域轴向长度影响的研究*

针对不同厚度的病变组织,改变声焦域轴向长度能提高高强度聚焦超声在临床治疗过程中的安全性和有效性。基于多频超声波叠加原理,该文提出了变厚度(多频)聚焦换能器,并设计了两种类型变厚度聚焦换能器。根据瑞利积分法推导了变厚度聚焦换能器声场,计算和分析了变厚度聚焦换能器的声焦域轴向长度,并与等厚度(单频)聚焦换能器声焦域轴向长度进行对比。结果显示,变厚度聚焦换能器中心到边缘的厚度变化趋势与声焦域轴向长度变化相关,中间薄两边厚换能器声焦域轴向长度缩短,中间厚两边薄换能器声焦域轴向长度变长,且实验验证了理论的正确性。研究结果可为变厚度聚焦换能器声场研究和高强度聚焦超声的临床治疗提供参考。     

磁致伸缩换能器辐射板形状对声场分布的影响

磁致伸缩换能器可作为热声制冷机的声源装置,辐射板的形状直接影响声压输出效率,从而影响制冷效果。为提高换能器工作效率、减小换能器体积,辐射板需在Terfenol-D棒的激励下产生大振幅、高频率的活塞振型。针对这一问题,应用ATILA软件分析了磁致伸缩换能器辐射板形状对谐振腔振动幅频特性的影响以及对谐振腔内声场分布的影响。结果表明:相同激励条件下,凹球面辐射板出现活塞振型时振幅最大,对应谐振腔中声压幅值最高;谐振腔端面形状为凹球面时,具有聚焦声压幅值的作用;端面形状为凹发射端-凸反射端组合的谐振腔内声压幅值最高。以上结论为合理设计辐射板、谐振腔两端面组合形状提供了参考。     

内窥式共聚焦成像系统分析

基于点扩展函数和傅立叶光学理论，推导出系统的相干传递函数，并详细研究了光纤对轴向分辨率的影响.研究结果表明：该系统为相干成像系统，系统的轴向分辨率随光纤半径A的增加而降低.最后，搭建了一套内窥式共聚焦成像系统，并测得光栅样品的共聚焦图像.实验结果表明，该系统具有良好的分辨率.     

双凹球面相控聚焦超声波场的产生与可视化

超声相控阵技术在声悬浮中有十分重要的价值,相较于传统的一维单轴声悬浮装置,本文在凹球面双发射极超声阵列的基础上引入相控聚焦原理,产生了声悬浮能力较强的声场,重点研究了声场的仿真模拟与可视化验证.首先,介绍了自发设计的凹球面双发射极超声阵列结构,阐述了相控聚焦原理、超声驻波悬浮机理、声压与声辐射力等声学理论.然后,根据理论分析结果,借助COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,仿真模拟相控聚焦超声波场.产生该声场的各超声波换能器相位可单独控制,通过相位的实时变化,可使声场进行动态聚焦,实现微粒的悬浮与任意轨迹移动.最后,使用单反射纹影系统实现了该声场的实时可视化,与仿真结果进行比较,证实了凹球面双发射极超声波装置相控聚原理的准确性.     

大张角共焦换能器对振动声成像的影响*

振动声成像是超声成像的一种重要形式,它可以得到包含共焦区组织的弹性信息和声衰减信息的信号,将接收到的信号用于成像即可获得反映组织特性的图像。该文对大张角共焦换能器作用下振动声成像中声辐射力和切变位移进行了理论计算和数值模拟,并通过改变张角变化及频率大小研究其对声辐射力和切变位移的影响。这项工作为大张角共焦换能器在振动声成像中的应用提供了理论支持。     

聚焦超声源对生物媒质加热的理论研究

用差分法求解生物热传导方程,研究了凹球面聚焦超声换能器用于热疗时在人体组织内产生的稳态温度场.引入热焦距及等温线,分析了换能器参数、生物组织特性参数对有效治疗区的影响,并对声场和温度场特征进行了比较 关键词： 聚焦超声 热疗 生物组织 温度场     

基于长焦区聚焦换能器的扫描光声乳腺成像技术

报道了一种利用长焦区聚焦超声换能器检测光声信号的扫描光声乳腺成像系统.通过增加聚焦换能器焦区的长度，该技术可以快速实现对大块组织(如乳腺)的光声成像.测试结果表明，该实验系统能够对大块模拟样品中吸收体的位置、尺寸以及光能量吸收情况实现较为准确的成像.另外，实验中，该系统还可便捷地与传统的超声技术相结合，从而实现多模式复合的乳腺癌诊断.初步结果显示了该技术路线在乳腺癌早期诊断应用上的前景. 关键词： 乳腺癌诊断 光声成像 扫描光声层析术 脉冲回波法     

Wideband focused transducer array for optoacoustic tomography

The calculation procedure of the parameters of a multielement transducer array for the optoacoustic tomography of biological objects with high spatial resolution values is proposed. A multielement transducer with given spatial resolution values in three dimensions has been developed based on the proposed procedure for the early detection of breast cancer. The transducer array consists of a set of 8 linear PVDF piezoelectric films located on a plane and a focusing cylindrical acoustic lens. A map of the transducer’s focal area and point spread function have been measured using the constructed transducer array. Spatial resolutions of the transducer array obtained experimentally are in agreement with their calculated values.     

Image features in medical vibro-acoustography: in vitro and in vivo results

Vibro-acoustography is an imaging method based on audio-frequency harmonic vibrations induced in the object by the radiation force of focused ultrasound. The purpose of this study is to investigate features of vibro-acoustography images and manifestation of various tissue structures and calcifications in such images. Our motivation for this study is to pave the way for further in vitro and in vivo applications of vibro-acoustography. Here, vibro-acoustography images of excised prostate and in vivo breast are presented and compared with images obtained with other modalities. Resulting vibro-acoustography images obtained with a 3 MHz ultrasound transducer and at a vibration frequency of 50-60 kHz show soft tissue structures, tissue borders, and microcalcifications with high contrast, high resolution, and no speckle. It is concluded that vibro-acoustography offers features that may be valuable for diagnostic purposes.     

High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens

In optical coherence tomography, axial and lateral resolutions are determined by the source coherence length and the numerical aperture of the sampling lens, respectively. Whereas axial resolution can be improved by use of a broadband light source, there is a trade-off between lateral resolution and focusing depth when conventional optical elements are used. We report on the incorporation of an axicon lens into the sample arm of an interferometer to overcome this limitation. Using an axicon lens with a top angle of 160 degrees , we maintained 10-microm or better lateral resolution over a focusing depth of at least 6 mm. In addition to having high lateral resolution, the focusing spot has an intensity that is approximately constant over a greater depth range than when a conventional lens is used.     

Toward a spherical spot distribution with 4pi focusing of radially polarized light

The properties of the focal spot for 4pi focusing with radially polarized light are presented for various apodization factors. With a focusing system satisfying the Herschel condition, sharp focal spots with almost-perfect spherical symmetry (leading to equal axial and transverse resolution) and extremely low sidelobes are achieved.     

微分干涉差共焦显微膜层微结构缺陷探测系统

多层膜极紫外光刻掩模"白板"缺陷是制约下一代光刻技术发展的瓶颈之一,为提高对掩模"白板"上的膜层微结构缺陷的分辨能力,提出了一种微分干涉差共焦显微探测系统方案。基于标量衍射理论,计算了系统横向和轴向分辨率。利用MATLAB建模仿真,在数值孔径为0.65、工作波长为405 nm时,分析比较了微分干涉差共焦显微系统、传统显微系统和共焦显微系统的分辨率。结果表明微分干涉差共焦显微系统具有230 nm的横向分辨率和25 nm轴向台阶高度差的分辨能力(对应划痕等缺陷形式)。此外,仿真和分析了实际应用中探测器尺寸、样品轴向偏移等的影响,模拟分析了膜层微结构缺陷的探测,结果表明本系统可以探测200 nm宽、10 nm高的微结构缺陷,较另外两种系统有更好的探测能力。     

1-3型二维柱形凹面线聚焦换能器声场特性

设计并研制了柱面结构的1-3型复合材料凹面线聚焦换能器,在提高换能器带宽的同时,可以实现声场的线聚焦。将换能器内部PZT柱作为独立声源,应用瑞利积分和叠加原理,推导出了柱形凹面换能器总声场的理论表达式。通过仿真计算分析了换能器在聚焦线上的声场特点以及相关参数对聚焦性能的影响。对换能器参数做出合理设计,使换能器在实现线聚焦的同时,声场在聚焦线上的起伏较小,从而设计并制作出聚焦性能良好的线聚焦凹面换能器探头。实验测试结果表明采用本文方法计算得到的换能器声场与实测的声场分布基本符合,柱形凹面换能器在其几何焦点附近范围内均可实现聚焦,并在侧向上形成清晰的聚焦线,其聚焦线长度为换能器的侧向结构长度,在聚焦线上声场分布起伏较小。      

菲涅尔波带片-球面结构透镜的成像分析

设计了一种新型的菲涅尔波带片 球面透镜。应用衍射光学方法,从理论上研究了这种透镜的变焦功能和分辨特性。数值结果表明,在衍射空间有两个焦点,改变波带数可以使两个焦点分开任意距离。当波带数足够大时,可以使透射空间只有一个向透镜方向迁移的焦点。与单一的透镜和单一的波带片相比,这种菲涅尔波带片 球面透镜的横向和纵向分辨率同时得到了提高。因此,这种新型的结构透镜可应用于三维成像。