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     

声束在固体中的聚焦及其在声成像中的应用

本文主要研究表面换能器阵列在固体中产生的聚焦及轴上焦场的情形,讨论各级次焦点处场的值与条宽阵元的关系.用数值计算求出某一频率时不同的阵元宽度的焦场分布,并从实用角度出发,讨论将这种聚焦用于无损检测和成像时,横向和纵向分辨率等问题,为了进一步说明理论,做了一些探索性的实验。     

非线性声参量层析成像与生物组织定征

结合有限振幅插入取代法和计算机层析成像技术提出非线性参量B/A的成像方法,用卷积滤波法可重建非线性参量层析图像.对正常肝和若干种病变的猪肝脏组织(肝硬化、肝炎和脂肪肝等)进行了实验成像.为了便于比较,文中还给出了衰减系数这一线性参量的层析图像.研究结果指出非线性参量B/A成像在生物组织定征中的有效性及在医学诊断中的应用前景.     

非线性声参量成像及其在医学诊断中应用

本文介绍了我们对于反射模式非线性参量B／A的成像技术的研究结果,包括：(1)基于二次谐波的非线性参量层析成像(2)基于参量阵差频波的非线性参量层析成像(3)非线性参量的等深度C-扫成像。利用这三种成像方法对多种生物组织,特别对正常和病变的生物组织进行非线性参量成像。结果表明,非线性声参量成像可以比线性声参量更容易地判别生物组织的病理状态,从而展示了它在医学超声诊断中的应用前景。     

基于反相位脉冲技术的生物组织谐波成像研究

理论及实验研究了反相位脉冲技术在生物组织二次谐波成像中的应用。结合有限振幅声波的非线性传播理论,从理论上证明了反相位脉冲技术可有效抑制基波信号,同时二次谐波信号增强两倍,轴向及径向声场的实验测量结果基波被抑制30~50dB,二次谐波提高6dB,与理论相符。建立了相应的成像系统,对若干生物离体组织进行了基于反相位脉冲相位技术的二次谐波成像,并与常规的基波及二次谐波图像对比,进一步证明了该技术能有效提高图像的对比度和清晰度。     

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

二维矩形波导管中的非线性声传播

本文采用部分波和二阶微扰理论对二维矩形波导管内声波的非线性传播问题进行了研究。由二次谐波的边界条件和初始条件,可得到物理图象清晰、便于计算的二次谐波声场解析式。结果表明,不同基波传播模式间的相互作用不存在二阶非线性,管内任意振幅分布的稳态激发源产生的二次谐波为各个模式二次谐波之和,且二次谐波声场分布具有对称性。     

生物组织内低频振动声信号特性仿真研究*

摘要：振动声成像是一种新兴的超声成像方式,它是通过间接获取生物组织的声学和机械信息进行成像,同时弥补了传统超声医学成像分辨率不足的问题,具有潜在的临床应用价值。然而,目前振动声成像的组织对比度不高,其中一个重要原因是需要进一步明晰不同生物组织内的低频振动声信号特性,因此探究不同组织对低频声振动的敏感度和差异性极具价值。本文基于k-Wave声学仿真平台,通过构建扇形阵列双频聚焦超声的声传播仿真模型,计算并分析了共焦区的声辐射力大小及低频振动声信号的幅值特性。此外,考察了生物组织特性、双频聚焦超声换能器的张角大小、中心频率以及分瓣数对低频振动声信号幅值的影响。仿真研究结果表明：不同生物组织内低频振动声信号的幅值存在差异,与组织参数密不可分。使用大张角聚焦超声换能器可增大共焦区的动态声辐射力,进而提高超声激发声发射（Ultrasound-Stimulated Acoustic Emission, USAE）信号强度。此外,换能器中心频率的选取会影响USAE信号的强度;改变换能器分瓣数N的大小,USAE信号幅值的变化不明显。该研究为明晰不同生物组织内振动声成像的物理机制提供了理论支撑。     

基于导波驱动相变材料超构表面的基波及二次谐波聚焦

利用超构表面优异的波前调控能力将片上光子集成电路对光场的操控拓展至自由空间是当前一项重要课题.本文采用传输相位方法设计了一种基于波导模式激发的内嵌式超构表面,其相位分布同时满足导模的基频以及二倍频的聚焦.在此基础上,将内嵌式材料限定为相变材料,结合其在不同相态时的折射率差异,通过仿真手段实现了两种相态下分别针对于基波和二次谐波的聚焦.在基波(或二次谐波)实现高质量聚焦时,焦点处二次谐波(或基波)的成分得到了很大程度上的抑制,更有利于后续完全滤波.进一步地,通过在波导层底面嵌入与顶面完全相同的超构表面,并横向错开半个周期,最终将关于基波聚焦和二次谐波聚焦的器件效率提升为原先单阵列情形的2.2倍和3.7倍.本文的研究为导波驱动(或激发)超构表面的线性及非线性多功能复合调控提供了一种新的可能途径.     

超谐波声场及其生物组织成像的理论及实验研究

理论及实验研究了平面活塞换能器激发的超谐波(三次、四次及五次谐波的线性幅度叠加)的轴向和径向声场特性,讨论了声源强度及传播距离对超谐波的强度及指向性的影响。结果表明在合适的声源强度及传播距离条件下,超谐波的幅度可大于二次谐波,同时-3dB波束宽度变窄,为基波和二次谐波的59%和77%。对生物组织进行了超谐波成像,并与基波、二次谐波图像对比。结果表明超谐波可提高超声非线性成像的灵敏度及分辨率。     

用于钙原子光频标的半导体倍频激光器及荧光谱

利用BIBO(BiB3O6)晶体的倍频效应,由半导体激光器产生的波长为846 nm激光可以获得波长为423 nm的蓝光。真空室内的钙炉在加热到600 ℃时产生钙原子束。将423 nm激光垂直照射到钙原子束上,用光电探测器可以获得钙原子束的荧光谱,谱线的半峰全宽(FWHM)为100 MHz。     

混合k空间经颅聚焦超声相位校正*

经颅聚焦超声是一种非侵入性治疗方式,为脑功能性疾病的治疗提供了一种新思路,常见的应用有：血脑屏障打开、脑部肿瘤消融、神经调控等。由于颅骨的异质性,超声在传播过程中会产生畸变,需要一定的相位校正实现超声的聚焦。利用时间反转结合k空间伪谱可以实现对于非均匀的颅骨进行相位校正。然而,在相控聚焦过程中,同时提高相位校正的精度和减少计算的时间是一个矛盾的关系。本文提出伪谱法和角谱法相结合的混合k空间方法在较短时间内优化相位校正,k空间伪谱模拟非均匀的颅骨部分,角谱法模拟均匀的脑组织部分,并对经兔颅骨后的声场进行仿真与测试。结果表明,混合k空间和k空间相位校正方法得到焦点处的声压差和位置差较小,分别为3%和6%。在模型网格大小为（310×310×300）条件下,混合k空间相位校正方法的相位计算时间（14.98分钟）与k空间方法（91.73分钟）计算时间相比大幅降低,在脑超声治疗临床方面具有良好的应用前景。     

金属纳米颗粒等离激元共振增强非线性介质谐波的发展现状

随着纳米加工和制备技术的不断发展,金属纳米粒子的等离激元光学特性已得到了广泛的研究与应用。本文基于金属纳米颗粒等离激元共振特性,分析了金属纳米颗粒等离激元共振对介质谐波的增强机制,综述了该增强机制在近几年所取得的最新研究成果及其在生物成像领域的应用。金属纳米颗粒等离激元共振在增强介质非线性特性领域的发展趋势是从简单的金属纳米颗粒向复杂形状纳米颗粒和金属纳米颗粒组装体的发展,这些新型金属纳米颗粒在非线性光学、生物医学上的疾病诊断和治疗有良好的实际应用前景。     

类石墨烯结构二维层状碳化硅的非线性二次谐波特性的第一性原理研究

二维层状碳化硅（two-dimensional layered silicon carbide,2d-SiC）是一种类石墨烯结构的半导体,在非线性光学频率转换上具有潜在的应用.本文基于第一性原理高精度全电子势线性缀加平面波结合态求和方法研究了层叠和拉伸下类石墨烯2d-SiC结构的非线性二次谐波系数.非线性过程物理源分析表明,三带项构成的单粒子跃迁过程是2d-SiC结构的二次谐波过程的主要微观跃迁机制,电子的带间运动显著受到带内运动的调谐,π电子离域带对非线性过程有重要贡献.理论上给出了2d-SiC结构的二次谐波系数的角度依赖,为实验研究提供理论参考.拉伸可导致不同频率的二次谐波增强.     

非线性光学晶体铌酸钾锂的二次谐波产生

研究铌酸钾锂晶体的近经这过光谱：利用铌酸钾锂晶体对８９０￣９６０ｎｍ的Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ近红外激光进行倍频,获得蓝得蓝绿光输出;研究了晶体的倍频特性,探讨了提高晶体倍频效率的方法。     

Use of Adaptive Focused Acoustics™ ultrasound in controlling liposome formation

Many techniques for producing large unilamellar vesicles (LUVs) or small unilamellar vesicles (SUVs) have drawbacks, including exposure of sensitive biological materials to harsh organic solvents or high temperatures. Here we describe the use of controlled focused ultrasound, Adaptive Focused Acoustics™ (AFA), to make LUV or SUV at low temperature without organic solvents and at a consistent, chosen size. We studied the effects of peak incident power (PIP), cycles per burst (CPB), duty factor (DF), temperature, and lipid composition (natural or synthetic), on liposome size distribution. We found that an increase in PIP, DF, CPB, or temperature decreased liposome size. When processed under the same conditions as the natural lipid composition [Phospholipon 90 G], the synthetic lipid composition [HSPC, DSPE-PEG-2000, Chol] generally produced larger liposomes, although extending processing time reduced liposomes to similar size. In combination with AFA, these trends can help pinpoint parameter values that achieve a desired liposome size distribution.     

Optimal ultrasonic array focusing in attenuative media

This paper presents a parametric study on the efficiency of ultrasound focusing in an attenuative medium, using phased arrays. Specifically, an analytical model of ultrasound wave focusing in a homogeneous, isotropic and attenuative fluid with point sources is presented. Calculations based on the model have shown that in an attenuative medium, an optimum frequency exists for the best focusing performance for a particular size of aperture and focal distance. The effect of different f numbers on the focusing performance in the attenuative medium is further investigated. The information obtained from the analytical model provides insights into the design and installation of a phased transducer array for energy efficient wave focusing.     

同频率互相垂直简谐振动的合成

讨论了质点参与两个同频率互相垂直简谐振动时的角动量、速率、能量以及同频率互相垂直简谐振动的合成推广到三维的情况。