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。     

凹面线性相控阵聚焦与扫描成像

研究了凹面线性相控阵聚焦声场的聚焦特性与扫描成像处理,首先对凹面线性相控阵聚焦声场进行了深入的分析,对凹面线阵聚焦中变迹处理、阵元间距及f数等参数对相控阵瞬态声场聚焦特性的影响进行了分析和讨论;然后,分析了相控阵聚焦声场在散射物体上产生的散射声场特性,得到了利用凹面线性相控阵进行线性查扫的B扫图像,在此基础上,利用凹面线性相控阵辐射声场在非均匀体上的散射声场进行了扫描成像研究和处理,针对实际管材质量的相控阵检测问题,得到了管材纵波扫描整个区域的检测图像.     

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

格子玻尔兹曼方法对不同张角聚焦声束的建模

高强度聚焦超声(HIFU)是一种新型的无创治疗肿瘤新技术,其中换能器声场数值计算能够为HIFU治疗提供重要的依据。传统非线性KZK和SBE模型广泛应用于换能器声场数值计算,但依然存在某些不足。我们采用一种介观尺度的新型流体力学方法,即格子Boltzmann方法(LBM),基于2维9离散速度(D2Q9)格子构建了轴对称多弛豫参数LBM模型,并通过调节弛豫参数分析其对模型的影响;利用该模型对两个具有不同张角的球面聚焦换能器的声场进行数值模拟,并与KZK和SBE模型的计算结果进行比较。结果表明LBM模型能够很好地描述超声波的激发和传播机制,从流体力学的角度描述聚焦声场的分布,具有清晰的物理意义,且计算过程不受换能器张角的限制,在换能器声场的理论分析和模拟计算及其在HIFU治疗中的应用有着积极的意义。      

圆锥面PVDF聚焦换能器的非线性声场理论及实验研究

圆锥面聚焦换能器可在超声成像中获得较好径向分辨率的同时提高探测深度.利用高斯声源函数叠加法来近似表示圆锥面聚焦声源的分布函数，结合近轴近似的KZK方程，得到了圆锥面聚焦换能器在损耗媒质中产生的基波、二次谐波声场的解析解.在实验上制作了PVDF圆锥面聚焦换能器，测量了圆锥面聚焦换能器的基波及二次谐波声场，实验结果和理论计算相符.     

凹面相控阵聚焦声场在液固界面上的反射和折射

开展了凹面线性相控阵列辐射声场在液固界面上的反射和折射特性研究,利用射线近似方法,得到了凹面相控阵聚焦声场在液固界面上反射和折射后的声场渐近解析表达式,对声波在液固曲面上的反射和折射声场进行了分析和讨论. 利用这个解析表达式,对凹面线性聚焦声场在液固平界面和液固圆柱界面情况下固体中折射纵波和折射横波的相控阵声场进行了分析和讨论,发现凹面线阵声场在液固圆柱界面下比液固平界面具有更好的聚焦效果. 关键词： 凹面阵列 超声相控阵 反射与折射     

脉冲超声换能器声场测试系统的设计*

脉冲超声换能器是超声检测的关键部件,为了获取其声场特性参数,文中基于小球反射法原理,采用虚拟仪器技术和单片机技术设计了声场测试系统。系统的程控交互界面采用了美国国家仪器公司研制开发的图形化编程软件LabVIEW来设计,在程控交互界面程序中通过调用动态链接库DLL来对系统核心硬件超声发射接收卡进行数据通信及对卡功能进行设置,同时系统上位机通过RS232串口与下位机单片机通讯,实现对三轴扫查平台的多种扫查方式控制。该系统可实时显示脉冲换能器声压分布图像,并可通过对声压分布数据实现对换能器近场长度及扩散角等参数的测量。     

球形腔聚焦换能器的非线性声场建模

球形腔聚焦换能器是一种特殊形式的聚焦换能器。为理论证实球形腔聚焦换能器能突破传统超声聚焦在聚焦精度和聚焦增益上的限制,采用Westervelt非线性方程并结合时域有限差分法,建立了球形腔聚焦换能器的非线性声场的数值模型。数值计算了直径为120 mm的0.6 MHz球形腔聚焦换能器的非线性声场,并与传统球壳形聚焦换能器进行了对比。当激励声压为100 kPa时,球形腔聚焦换能器与同尺寸壳形聚焦换能器相比,焦点正声压增益提高约8.5倍,且焦域精度更高,-6 dB聚焦区域在z方向减小约20倍,达到次波长尺度。研究表明球形腔聚焦换能器在高强度聚焦超声精细治疗上具有潜在的应用前景。      

二维超声阵列换能器声场的两种时域仿真模型比较

针对二维超声阵列换能器的声场仿真,以xMATRIX超声换能器结构为原型,设计仿真实验对分割阵元空间脉冲响应模型和离散点阵代表模型的计算精度、计算效率、影响参数和适用场合进行了分析比较.结果表明,分割阵元空间脉冲响应模型计算速度快,精度高,对阵元尺寸、阵元间距、聚焦深度及阵元高宽比例敏感,广泛应用于均匀介质中的声场仿真....     

1-3型压电复合材料非均匀振动换能器的研究

通过调整1－3型压电复合材料换能器中压电相的分布，可以控制换能器辐射面上振动幅度和相位的分布，从而获得具有特殊性能的声场．作为辐射源表面振动速度等相位不等幅和等幅不等相位的两种典型情况，本文对边线高斯型换能器和Wesnel聚焦换能器进行了实验研究，讨论了其声场特性．     

Simulation of sound field in a tissue medium generated by a concave spherically annular transducer

The concave spherically annular transducer is regarded as a negative and a positive concave spherical transducer, and the spheroidal beam equation is used to simulate the linear and nonlinear sound field in a tissue medium generated by this transducer. It is found that the acoustic focus of the ring does not coincide with the acoustic focus of its central part. If the width of the ring increases, its acoustic focus will move toward the geometric focus and the amplitudes of nonlinear harmonics will increase obviously. If there are several coaxial rings placed on the concave spherical surface, more than one peak will appear along the axial direction for the fundamental, and high harmonics focus better. The distribution of sound field will change with the number and the excited signals of rings, so it maybe is a potential approach to treat locally big tumors.     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

热疗用环形平面换能器声场特性的研究

引入负声源，导出了环形平面换能器声场的简洁表示式，计算了单个圆环、多个同心圆环同时激励及环阵相控聚焦声源产生的声场，分析了环的宽度、环数及聚焦点位置等因素对声场特征的影响。提出根据各阵元在声场中某点产生的声压的相位来确定各阵元电激励信号的延时，此方法较根据各阵元到该点的平均声程确定各阵元电激励信号的延时，能更难确地在该点实现聚焦。     

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。     

振动声成像系统分辨率研究

本文从振动声成像的基本原理出发，通过引入点扩展函数PSF和定义轴向响应函数ARF，研究了由凹球面聚焦换能器分割而成的一种典型共焦换能器参数对振动声成像系统侧向分辨率和轴向分辨率的影响。计算研究表明：增大凹球面换能器的口径、减小几何焦距和提高中心频率均可以提高系统的侧向分辨率和轴向分辨率；但改变凹球面换能器的分割比例对两种分辨率影响不尽相同。综合考虑超声换能器激励、聚焦性能以及产生的辐射力效果等因素，则换能器应按等辐射面积原则分割为宜。文中还分析了介质的声衰减系数对实际轴向分辨率的影响。     

圆环形聚焦声场的构建与调控

提出了一种由径向振动模式的圆环形压电换能器晶片组成的圆柱形阵列换能器结构, 依据阵元激励信号的相位调控机理, 推导了圆环形聚焦声场的调控公式, 在三维空间中构建了圆环形聚焦声场, 实现了对其聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及轴向位置移动的调控. 理论分析和仿真研究表明, 所提出的圆柱形阵列换能器实现了对圆环形聚焦声场的调控. 为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种可实现的新型圆环形可调控聚焦声场.     

界面条件下线型超声相控阵声场特性研究

开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究.将带有楔块的超声相控阵问题合理简化为液固界面的情况进行讨论.根据射线声学理论,计算了单阵元在液固界面存在时的辐射声场,进而推导了聚焦法则,得到了超声线型阵在液固界面存在时的声场、位移场表达式.对安装在楔块上的相控阵换能器的辐射声场进行了仿真,并讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响,结果表明利用聚焦能提高分辨率和灵敏度,但聚焦区域之外声束性能更差,在实际检测中要合理利用聚焦. 关键词： 超声相控阵 界面 声场 聚焦     

Study of the temperature rise induced by a focusing transducer with a wide aperture angle on biological tissue containing ribs

We used the spheroidal beam equation to calculate the sound field created by focusing a transducer with a wide aperture angle to obtain the heat deposition, and then we used the Pennes bioheat equation to calculate the temperature field in biological tissue with ribs and to ascertain the effects of rib parameters on the temperature field. The results show that the location and the gap width between the ribs have a great influence on the axial and radial temperature rise of multilayer biological tissue. With a decreasing gap width, the location of the maximum temperature rise moves forward; as the ribs are closer to the transducer surface, the sound energy that passes through the gap between the ribs at the focus decreases,the maximum temperature rise decreases, and the location of the maximum temperature rise moves forward with the ribs.     

介质填充型二次柱面等离激元透镜的亚波长聚焦

本文提出了一种亚波长聚焦的表面等离激元透镜,该透镜由二氧化硅填充金膜纳米狭缝阵列组成,金膜的出射表面为二次柱面.表面等离激元在狭缝入口处激发并沿狭缝传输,在狭缝出口转变为带有一定相位延迟的自由空间传播的光波.通过对透镜结构参数的控制,可以调节来自各狭缝的光波间的相对相位,使它们在设定的焦点处进行相长干涉,从而实现聚焦效果.本文用时域有限差分法数值计算了二次柱面等离激元透镜的聚焦特性.数值模拟结果表明,所设计的孔径为2μm的透镜,能够实现微米级焦距和焦深、且焦斑半高宽低至0.4倍波长的亚波长聚焦.该表面等离激元透镜结构简单紧凑、尺寸小,有利于光子器件的集成,在集成光学、光学微操纵、超分辩率成像、光存储、生化传感等相关领域有潜在的应用价值.