[發明專利]一種測量強聚焦超聲非線性聲場分布的系統及其方法

有效

• 申請號: 201410059590.5
• 申請日: 2014-02-21
• 公開（公告）號: CN103776524A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 范庭波;陳濤;章東;胡濟民;張崴
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 蔣海軍

技術領域

本發明涉及超聲聲場測量技術領域，更具體地說，涉及一種測量強聚焦超聲非線性聲場分布的系統及其方法。

背景技術

近十多年來，高強度聚焦超聲（HIFU）作為一種新興的非侵入式治療腫瘤方法得到人們極大的關注。HIFU治療腫瘤的主要原理是將體外超聲能量聚焦于體內腫瘤組織內，靶區組織吸收聲能量，溫度在短時間內上升至65℃以上，發生不可逆凝固性壞死。為確保治療的安全性和有效性，治療前必須準確描述HIFU聲場分布。由于HIFU治療時聲能量很高，焦點聲壓甚至能達到100MPa量級；強非線性導致聲波波形嚴重畸變，甚至形成沖擊波，頻譜展寬。強聲壓和寬頻帶是HIFU聲場測量中的兩個挑戰，要求聲場測量系統既要能承受強聲壓又要有很寬的頻帶，而目前一直沒有理想的聲場測量系統能夠滿足上述兩點。

傳統的測量聲場方法（例如使用PVDF水聽器測量）無法滿足HIFU聲場的極端條件，目前比較常用的方法是使用光纖水聽器，利用光纖端口的聲-光效應（如壓力變化導致光反射系數變化）測量HIFU聲場。雖然光纖水聽器靈敏度不如傳統PVDF水聽器高且噪聲較大，但是其頻帶寬且魯棒性好。然而，在實際測量中發現，當沖擊波產生后，光纖水聽器帶寬仍然不能滿足測量要求，測得的峰值正壓常常小于實際值。此外，研究者們還提出了一些非侵入式的通過監測HIFU聲場中質點位移的測量聲場技術，如通過磁共振MRI（magnetic?resonance?imaging）、粒子速度成像PIV(particle?image?velocimetry)等，但這些方法還很不成熟，且造價昂貴。

另一方面，HIFU非線性聲傳播模型目前已經較為成熟。Westervelt方程描述了精確到二階的非線性聲場。對于平面和弱聚焦換能器（半張角小于16°），在近軸近似下，Westervelt方程可以化簡為著名的Khokhlov–Zabolotskaya–Kuznetsov(KZK)方程；對于強聚焦換能器，在橢球坐標系下，Westervelt方程可以化簡為Spheroidal?beam?equation(SBE)模型。在已知邊界條件，即換能器表面聲壓分布后，非線性聲場模型可以準確的預測HIFU聲場分布。

目前，有研究者提出了結合實驗測量與數值模型來確定高強度聚焦超聲非線性聲場的方法。Canney等人于2008年提出了該方法：首先根據線性聲場測量和數值計算結果得到換能器有效參數；其次根據測量的焦點聲壓和換能器聚焦增益得到換能器表面聲壓P₀；假設激勵換能器的電信號V₀與換能器表面聲壓P₀成線性關系，那么在任意電信號V激勵下，換取表面聲壓p=P₀(V/V₀)；最后將表面聲壓p作為邊界條件，可以計算得到在該激勵下的聲場分布。然而，此方法的缺點在于當激勵電信號很強時，電信號與換能器表面聲壓的線性關系無法得到保證。

發明內容

1.發明要解決的技術問題

本發明的目的在于克服現有高強度聚焦超聲非線性聲場的測量方法，在強非線性條件下，測量系統帶寬不夠，導致聲場測量準確度不高的問題，提供了一種測量強聚焦超聲非線性聲場分布的系統及其方法，本發明提供的技術方案測量準確度高、容易實施，測量過程中對水聽器的靈敏度要求較低，避免了因水聽器靈敏度低導致檢測結果不準確的隱患。

2.技術方案

為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

本發明的一種測量強聚焦超聲非線性聲場分布的方法，其測量步驟為：

步驟一、在線性聲場條件下，測量球殼換能器軸向以及該球殼換能器焦平面徑向的聲壓，獲得球殼換能器軸向及其焦平面徑向的聲壓分布曲線；

步驟二、根據瑞利積分計算球殼換能器軸向及該球殼換能器焦平面徑向的聲壓分布曲線，將計算結果與步驟一獲得的測量結果相比較，調節球殼換能器的張口半徑a和幾何焦距d，使得計算獲得的球殼換能器軸向及其焦平面徑向聲壓分布曲線與步驟一的測量結果相吻合，獲得球殼換能器有效參數a和d；

步驟三、將步驟二獲得的有效參數代入非線性聲傳播模型，計算焦點的二次諧波與基波的比值R₂₁，再改變球殼換能器表面聲壓幅值P₀，計算不同表面聲壓幅值P₀對應的R₂₁，得R₂₁與P₀的關系曲線；