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。     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

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     

被控点声压直接加权的相控声场合成模式

为快速高效地对相控阵声场进行优化,对伪逆算法进行了简化.通过对被控点声压进行幅值和相位补偿,得到了一个近似的声压加权公式.应用该公式预设被控点声压值,然后运用改进的伪逆矩阵算法确定相控阵各阵元的振幅和相位,从而得到一个直接的多焦点声场合成模式.基于该合成模式设计了一16×16个正方形阵元构成的平面相控阵,并对多焦点声场的合成进行了数值仿真.结果表明,该方法可提高声能在目标点的沉积能力,具有较高的声场合成效率,为超声热疗中声聚焦控制提供了一条有效的途径.     

球面矩形阵元相控阵高强度聚焦超声手术的子阵工作模式

提出了超声手术治疗肝肿瘤时非侵入性的球面矩形阵元相控阵的多种子阵工作模式:通过图像扫描来确定仅让不受肋骨遮挡的换能器子阵继续工作,并运用超声传播公式、伪逆矩阵算法和遗传算法进行声场的优化合成。结果表明:球面矩形阵元相控阵换能器的多种不同的子阵划分,不仅能够产生手术中需要的单焦点、多焦点等多种治疗模式,其声场的焦域形状和聚焦声强均达到了治疗的要求,而且能够减少肋骨上的声功率累积,避免了正常组织受损,从而可能解决高强度聚焦超声手术治疗肝肿瘤时超声波束受肋骨遮挡不能形成治疗需求声场模式的困难,拓宽治疗区域。     

时间反转方法用于高强度聚焦超声的焦点偏移补偿

传统的高强度聚焦超声(HIFU)治疗中实际焦点和预设焦点容易出现偏移,为考察时间反转方法对HIFU治疗中焦点偏移的补偿效果,采用时域有限差分方法求解Westervelt方程,建立高强度聚焦声场数值模型。数值计算得到在人体软组织中进行HIFU治疗时,采用时间反转方法后焦点偏移距离最大仅为1.6 mm。脂肪层厚度及声源强度改变对时间反转聚焦精度影响不大,F数(焦点距离同换能器孔径的比值)降低时,焦点偏移减小。研究表明在人体软组织吸收系数和非线性系数范围内,时间反转方法可有效补偿焦点偏移,达到更好的聚焦效果。      

各向异性焊缝中超声相控阵瞬态声场仿真及缺陷定位方法

针对多层各向异性奥氏体不锈钢焊缝中超声相控阵瞬态声场的仿真问题,提出应用高斯声束等效点源模型计算宽带离散化的多个单频稳态声场,通过傅里叶变换将其拓展为瞬态声场,并分析了声场转换过程的主要影响参数。该方法可快速计算焊缝内部超声相控阵聚焦声场的瞬态能量分布和任意一点的时域波形信号。在此基础上针对多层奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声相控阵成像检测问题,提出利用上述时域高斯声束法对多通道缺陷散射信号进行时间反转计算,并根据时域声场焦点确定缺陷位置。最后通过实验,验证使用此方法检测实际奥氏体不锈钢焊缝试块内部缺陷的效果。结果表明,提出的方法能够确定缺陷位置,且计算速度快、运算量小,适合作为多层介质内部缺陷实时成像的声场仿真模型。      

基于被动波束成像的高强度聚焦超声焦点定位*

针对高强度聚焦超声治疗中实际焦点偏离引导治疗的几何焦点这一问题,本文基于被动波束成像原理,将治疗探头与影像探头联合,探讨一种新的焦点定位策略。首先,基于k-Wave声学软件创建了具有多层组织结构的超声传播模型,通过理论仿真探究了不同脂肪、肌肉厚度条件下被动波束成像方法定位焦点的准确性;除此之外,还通过仿体在实验环境下对该方法的有效性进行了初步验证。结果表明,在不同脂肪厚度的仿真模型中,被动波束合成所定位的焦点和几何焦点在轴向距离上分别与实际焦点平均相差（0.54±0.15）mm和（4.76±0.95）mm。在不同肌肉厚度的仿真模型中,由合成算法定位的焦点和几何焦点在轴向距离上分别与实际焦点平均相差（0.51±0.26） mm、（4.95±0.47） mm。仿体实验也验证了被动波束成像定位的焦点比几何焦点更接近实际损伤位置。本文从理论仿真和实验两个角度验证了被动波束成像方法在高强度聚焦超声焦点定位中的优越性,可为该方法进一步走向临床应用提供支撑,对提升高强度聚焦超声手术治疗的安全性有推动作用。     

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。     

多层奥氏体钢中超声相控阵辐射声场分析

针对一维线性超声相控阵透过楔块,在多层不同晶轴取向的奥氏体钢中的声场辐射问题,结合高斯声束等效点源模型以及基于时间最小原理的射线追踪法,给出了各层介质中透射声场的计算方法。将奥氏体钢近似为横向各向同性介质,计算了相控阵透过楔块,在晶轴取向为0°的奥氏体钢中的无延时纵波声场,计算结果与COMSOL仿真结果相吻合,从而验证了所用方法的正确性。通过加入不同的延迟法则,仿真计算了三层含有不同晶轴取向(0°,30°,100°)的奥氏体钢中的纵波声场,实现了相控阵声场的偏转与聚焦,分析了偏转声场与聚焦声场的传播特性。仿真结果表明,不同的晶轴取向将导致不同的声束偏转以及聚焦效果。通过延迟激励各阵元,虽然可以控制声束偏转或聚焦到预定位置,但是晶轴取向仍会对声束宽度以及幅值产生一定的影响。      

超声全聚焦成像中等声程线伪影剔除方法*

针对超声全聚焦成像算法中等声程线扩散产生的原理性伪影问题,提出了一种基于超声回波声场有效等声程线和图像强度分布特征相结合的伪影剔除方法。首先分析了全聚焦成像算法中等声程线产生伪影的机理,根据数据均方根误差自适应辨识有效等声程线;通过Canny算子获取全聚焦图像待处理候选区域,再根据候选区域中有效等声程线相交次数和图像强度的分布特征辨识缺陷图像和伪影,利用图像中强度最低像素值扩展填充剔除伪影后的区域,进而达到剔除伪影的目的。通过在不同直径通孔类和槽类标准缺陷试块上声场模拟实验,结果表明伪影剔除效果显著。同时,该方法对噪声有也有一定的抑制能力,在不加滤波的条件下信号信噪比高于15dB时就可获得较好的去伪影效果。     

时间反演聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究*

无创脑神经调控技术是生物医学领域的研究热点,经颅磁声电刺激是利用静磁场和声场的耦合而产生的感应电场作用于神经组织,对大脑的目标位置进行刺激和调控的一项技术。颅骨的存在使超声在传播过程中发生相位畸变和幅值衰减,聚焦区域偏离,难以实现精准聚焦。该文基于时间反演法,模拟颅内点声源发射脉冲以及超声传播过程,计算各个阵元接收到的时间差,按照后到先发的原则发射脉冲进行聚焦刺激。与传统相控阵聚焦相比,焦点偏移现象基本得到解决,焦域横向、纵向分辨率均有所提高,提高了声束聚焦精度和感应电场峰值。通过搭建实验平台,将两种聚焦方法所测得的声场归一化处理,验证了时间反演法能补偿焦点偏移,并通过实验证实了超声换能器声场和产生感应电场分布存在较高的一致性。基于真实颅脑结构的虚拟点源时间反演聚焦可以实现无创、精准、灵活的经颅磁声电刺激,有助于推动精准神经调控技术的发展。     

Nonlinear absorption in biological tissue for high intensity focused ultrasound

In recent years the propagation of the high intensity focused ultrasound (HIFU) in biological tissue is an interesting area due to its potential applications in non-invasive treatment of disease. The base principle of these applications is the heat effect generated by ultrasound absorption. In order to control therapeutic efficiency, it is important to evaluate the heat generation in biological tissue irradiated by ultrasound. In his paper, based on the Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov (KZK) equation in frequency-domain, the numerical simulations of nonlinear absorption in biological tissues for high intensity focused ultrasound are performed. We find that ultrasound thermal transfer effect will be enhanced with the increasing of initial acoustic intensity due to the high harmonic generation. The concept of extra absorption factor is introduced to describe nonlinear absorption in biological tissue for HIFU. The theoretical results show that the heat deposition induced by the nonlinear theory can be nearly two times as large as that predicated by linear theory. Then, the influence of the diffraction effect on the position of the focus in HIFU is investigated. It is shown that the sound focus moves toward the transducer compared with the geometry focus because of the diffraction of the sound wave. The position of the maximum heat deposition is shifted to the geometry focus with the increase of initial acoustic intensity because the high harmonics are less diffraction. Finally, the temperature in the porcine fat tissue changing with the time is predicated by Pennes' equation and the experimental results verify the nonlinear theoretical prediction.     

超声清洗装置空化噪声谱分析法空化噪声级测量

空化强度是用以衡量液体介质中空化活动的剧烈程度,同时空化效应在超声清洗中起关键作用,因此,测量超声清洗槽中的空化强度便可了解其中空化活动的情况.当发生空化时,液体介质中会产生成分复杂空化噪声,对空化噪声谱进行分析和计算得到空化噪声级,据此可判断空化强度.实验测得结果表明:超声清洗装置内稳态空化分布广泛、均匀,瞬态空化分...     

多谱段短波红外小鼠静脉荧光观测成像研究

短波红外(short-wave infrared,SWIR)一般指900～1700 nm的光波段,是肉眼不可见的光波段,这种波段目前主流的探测器以InGaAs为主,主要用于军事、生物以及材料光谱分析等领域.短波红外荧光成像以其对生物组织光学损伤小、成像深度大、成像信噪比高、空间和时间成像分辨率高等特点,使得基于InGa...     

带楔块二维面阵列超声相控阵声场特性分析

开展了带楔块二维面阵脉冲超声相控阵辐射声场特性的研究。将安装在一定角度斜楔块上二维面阵相控阵换能器声场问题简化为液固界面情况进行讨论。以单阵元在液固平界面条件下的辐射声场为基础,推导了聚焦偏转法则,给出了带楔块二维面阵超声相控阵声场计算方法。以检测材料为钢板,安装在倾斜角为36°有机玻璃楔块上的频率为5 MHz、8×8二维面阵相控阵的辐射声场计算为例,分析了在不同偏转角和不同聚焦深度下检测材料中的辐射声场特性。计算结果表明该方法可有效的分析带楔块二维面阵超声相控阵声场特性并用于指导二维超声面阵角束探头的设计。      

虚拟流体方法的设计原则

研究模拟可压缩多介质流的虚拟流体方法,建立一般状态方程下定义虚拟流体状态的基本原则.根据波系结构和使用的自由变量分别推导虚拟流体状态的定义方式.结果表明在这些方式下求解多介质Riemann问题理论上完全精确.进一步总结几种简单有效的虚拟流体方法,这些定义方式不依赖于虚拟流体区域可能产生的波系结构.其中一种类似于反射边界条件,只是界面速度需要首先精确预测出来.数值算例验证了研究结果的合理性.     

弱酸试纸法测量功率超声珩磨空化声场的研究*

为了简便、直观地测量功率超声珩磨磨削区的空化声场强度及分布情况,提出了利用弱酸PH试纸测量磨削区空化声场的方法。利用超声空化效应产生的弱酸空化泡在PH试纸表面溃灭后,形成深浅和分布不同的变色区域,间接地表征油石表面空化声场的强弱和分布规律。通过对比不同超声频率、测试距离和时间,得出了最佳测试距离和时间。结果表明,当超声频率为18.6 kHz,距离为10 mm时,测得油石表面的空化声场强度和分布最佳。该方法可形象地评价功率超声珩磨磨削区空化声场的强度和分布情况,具有一定的实际应用价值。     

Absorption spectra versus field distribution for metal-dielectric three-dimensional photonic crystals

The absorption spectra of three-dimensional metal-dielectric photonic crystals (PCs) are studied using computer simulation by the finite difference time domain method and the layered Korringa-Kohn-Rostoker method. The band structure of a three-dimensional dielectric PC is obtained by the plane wave expansion method. The explanation of absorption spectra of PC based on its comparison with the band structure and Fabry-Perot resonances inside a PC plate is given. The intensity distribution of an electric field using FDTD inside the metal-dielectric PC for three various structures is analyzed. It is shown that spherical cavities in a dielectric PC “focus” the field inside cavities at certain wavelengths. This leads to an increase of absorption at these wavelengths if metal spheres are located in the centers of those cavities. This effect can be considered as an analogue of the Borrmann effect in X-ray spectroscopy.     

Multi-focus optical fiber lens based on all-dielectric metasurface

A multi-focus optical fiber lens is numerically demonstrated based on an all-dielectric metasurface structure. The metasurface consists of an array of rectangular silicon resonators with varying widths in order to obtain the required phase distribution. The core diameter of the multimode fiber is large enough to contain sufficient resonance units. The spatial distribution of the dielectric resonators is dictated by spatial multiplexing, including interleaving meta-atoms and lens aperture division, to achieve multi-focus properties. The proposed optical fiber metalens can produce two or three focal points along the longitudinal direction with high focusing efficiency. The size of every focal point is close to the diffraction limit, and the relative intensity on each focus can be controlled by adjusting the number of the respective resonators. The proposed optical fiber lens will have a great potential in the fields of integrated optics and multifunctional micro/nano devices.