聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场的理论与实验研究

基于Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov(KZK)方程，在频域提出了聚焦超声波在层状生物媒质中传播的理论模型，该模型计及生物媒质的吸收、非线性和边界，同时考虑声源的衍射对声传播的影响.数值研究了聚焦超声波的基波和二次谐波在层状生物媒质中的声传播，并与实验结果相比较.研究结果表明，此方法可以有效地描述聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场. 关键词： 聚焦超声波 层状生物媒质 二次谐波     

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.     

不等间距排列的球面高强度聚焦超声相控阵列

讨论了一种新型的不等间距排列的球面高强度聚焦超声相控阵列,通过阵元间的不等间距排列明显的降低了栅瓣,使在陈元间距在 4λ的情况下,栅瓣低于-20 dB.通过优化设计发现在 0.5 MHz的发射频率时,采用 231个直径为 10 mm的圆形阵元组成的球面阵列可以在轴向 10~ 15 cm,径向半径 2 cm的圆柱区域形成声强 800 W/cm²的高强度聚焦。同时还可形成多焦点,实现大肿瘤的超声热疗。     

双层界面下非近轴近似多元高斯模型的相控阵声场模拟

非近轴近似多元高斯模型克服了近轴近似条件的限制,能保证较大偏转角度下模拟声场的精确度和效率。根据双层介质的瑞利积分模型和单层介质的非近轴近似多元高斯模型,推导出双层介质中基于非近轴近似多元高斯模型的单阵元辐射声场计算模型。并在得到各阵元声束偏转聚焦的延迟时间基础上,累加得到基于非近轴近似高斯模型的超声相控阵横波检测辐射声场计算模型。模拟计算带丙烯酸树脂楔块的超声相控阵探头在钢中横波检测的声束偏转与偏转聚焦辐射声场,并与近轴近似多元高斯模型的横波检测声束的偏转聚焦辐射声场进行比较分析。对比分析结果表明非近轴近似多元高斯模型计算速度更快,用时约为近轴近似多元高斯模型的1/13。此外,非近轴近似高斯模型方法横波检测的聚焦声束覆盖区域更大,能量更集中,更适于远场区域检测。     

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     

A unified mechanism for experiments on ultrasonic field visualization

The acceleration of chemical reactions due to an ultrasonic field is the basis of a number of methods for the visualization of this field. Such methods have been examined with qualitative and quantitative experiments to determine the mechanism of ultrasonic action. It is found that the standing wave created by reflection of the ultrasound acts upon a diluted substance. The substance is concentrated at the displacement nodes of the standing wave and consequently in these regions the reaction is accelerated. An explanation is also given for some previous experiments.     

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

Research on adaptive temperature control in sound field induced by self-focused concave spherical transducer

Temperature control of hyperthermia treatments is generally implemented with multipoint feedback system comprised of phased-array transducer, which is complicated and high cost. Our simulations to the acoustic field induced by a self-focused concave spherical transducer (0.5 MHz, 9 cm aperture width, 8.0 cm focal length) show that the distribution of temperature can keep the same “cigar shape” in the focal region during ultrasound insonation. Based on the characteristic of the temperature change, a two-dimensional model of a “cigar shape” tumor is designed and tested through numerical simulation. One single-point on the border of the “cigar shape” tumor is selected as the control target and is controlled at the temperature of 43 °C by using a self-tuning regulator (STR). Considering the nonlinear effects of biological medium, an accurate state-space model obtained via the finite Fourier integral transformation to the bioheat equation is presented and used for calculating temperature. Computer simulations were performed with the perfusion rates of 2.0 kg/(m³ s) and 4.5 kg/(m³ s) to the different targets, it was found that the temperatures on the border of the “cigar shape” tumor can achieve the desired temperature of 43 °C by control of one single-point. A larger perfusion rate requires a higher power output to obtain the same temperature elevation under the same insonation time and needs a higher cost for compensating the energy loss carried away by blood flow after steady state. The power output increases with the controlled region while achieving the same temperature at the same time. Especially, there is no overshoot during temperature elevation and no oscillation after steady state. The simulation results demonstrate that the proposed approach may offers a way for obtaining a single-point, low-cost hyperthermia system.     

高强度聚焦超声二维相控阵列的声场控制模式研究

研究了高强度聚焦超声热疗场的声场模式,并给出了二维相控阵列的声场模式控制算法。单焦点扫描声场模式在治疗中等偏大的肿瘤时容易引起非线性效应;采用基于伪逆矩阵的声场合成算法,直接形成了多焦点的控制模式,为焦域控制提供了新的思路。利用声场快速算法对30×30二维面阵的单焦点扫描声场模式和多焦点直接合成声场模式进行计算机仿真,仿真结果表明多焦点模式大大降低了焦点处的声强;而且基于此模式,采用加权优化算法对激励向量进行优化从而提高了阵列的激励效率,采用改进的特征向量优化算法优化了多焦点热疗模式的声场增益,增加了能量在目标体积的沉积,同时消除不期望的潜在热点,为超声热疗场的模式控制提供了理论依据。     

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     

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。