[發(fā)明專利]一種具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2020-11-27
• 公開（公告）號: CN112562632A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發(fā)明（設計）人: 郭各樸;浦仕府;馬青玉
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G10K11/34
• 分類號: G10K11/34;A61N7/02;G08C23/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 周科技

本發(fā)明提供了一種具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控系統(tǒng)及方法。利用平面扇形換能器陣列的有源相控和無源結構相位調制，構建了一種具有可控避障空腔的聚焦渦旋聲鑷，實現(xiàn)了障礙物后的物體操控。通過半貝塞爾聲束的階數(shù)和波數(shù)調控自彎曲波束圓弧軌跡的曲率半徑，根據(jù)障礙尺寸確定相位調制盤的中空半徑，實現(xiàn)具有圓弧軌跡避障空腔形狀和大小以及聲鑷軸向距離的調控；進一步通過換能器渦旋拓撲荷來調控聚焦渦旋聲鑷的捕獲半徑和捕獲能力。本發(fā)明能夠引導換能器陣列所發(fā)出的聲波繞過骨骼和重要臟器后形成聚焦渦旋聲鑷，實現(xiàn)藥物粒子的旋轉捕獲，還能夠利用藥物積聚來增強焦域的熱療效果，為聚焦渦旋聲鑷在生物醫(yī)學中的應用提供新方法。

技術領域

本發(fā)明涉及生物醫(yī)學應用中的聚焦超聲治療和小物體操控(細胞、藥物、結石，造影劑)領域，特別涉及一種具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控系統(tǒng)及方法。

背景技術

聲鑷操控具有非侵入性、無輻射和良好的生物相容性等優(yōu)點，在生物醫(yī)學的粒子操控應用中受到了廣泛的關注。渦旋聲場具有獨特的聲場分布，可以構建渦旋聲鑷實現(xiàn)粒子的旋轉捕獲和中心集聚，大幅提高超聲成像、靶向給藥、超聲治療等的效果。常用的渦旋聲場的形成方式包括有源相控技術和無源結構調控技術，有源相控技術通過在環(huán)形或二維陣列中引入相位螺旋來構建渦旋聲束或聚焦聲渦旋聲場，具有良好的實時性、可控性和靈活性。無源結構調制通過不同結構的相位調控來產生相位螺旋，具有結構簡單、實現(xiàn)方便，調控靈活等優(yōu)點。在實際應用中，精確的相位調控是渦旋聲鑷形成的關鍵，其對聲源信號缺失和強度變化十分敏感，聲傳播路徑上的障礙物對聲波的反射、吸收和散射都會影響聚焦渦旋聲鑷的位置、形狀、大小以及相位螺旋。因此傳統(tǒng)的平面或球面相控聲源陣列構建聚焦渦旋聲鑷時，直線或衍射傳播的聲束無法透過骨骼或避開重要器官在目標區(qū)域聚焦，大大降低了渦旋聲鑷構建的準確性和操控能力。

雖然人工超材料可以通過改變材料的聲學特性來引導聲波沿著彎曲軌跡傳播，但這種空間變化的材料特性不能在生物體內實現(xiàn)，因此需要在生物介質條件下尋找一種自彎曲波束來實現(xiàn)障礙物的繞射，并形成聚焦聲場。研究表明，利用艾里函數(shù)的相位調制可以構建具有自加速特性和自愈合能力的無衍射自彎曲聲波束，利用聲束的環(huán)形對稱分布可以實現(xiàn)聲波的自聚焦。為了克服艾里波束的傍軸限制，可以通過焦散方法將射線光延伸到非傍軸區(qū)域，基于麥克斯韋方程可以實現(xiàn)沿圓弧傳播的大角度偏轉非傍軸加速波包。另外，通過換能器陣列的幅值和相位精確調控可以形成沿任意軌跡傳播的自彎曲波束，并通過環(huán)形分布能夠構建具有零聲壓的瓶狀空腔結構和自聚焦聲場，然而，高精度的幅度和相位的聯(lián)合調制對換能器陣列和驅動電路提出了很高的要求，難以利用傳統(tǒng)平面活塞換能器或大型相控陣實現(xiàn)渦旋聲鑷在生物醫(yī)學中的應用。因此迫切需要尋找一種簡便可行且靈活可控的方法來構建具有可控零聲壓空腔的聚焦渦旋聲鑷，實現(xiàn)其在避障操控中的應用和推廣。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現(xiàn)有聲鑷操控技術存在的操控能力弱、定位精度低、受障礙影響大、難以實際應用等問題，提出了一種具有避障操控功能的聚焦渦旋聲鑷操控系統(tǒng)及方法，解決了傳統(tǒng)渦旋聲鑷在遇到剛性或具有強散射特性的障礙物(如骨頭)時，渦旋聲場聲壓下降，捕獲能力降低，甚至產生無法構建渦旋聲鑷的嚴重問題。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：基于平面扇形換能器陣列的有源相控和無源相位調制技術，構建一種具有可控避障空腔的聚焦渦旋聲鑷，通過二元槽型相位調制盤的結構參數(shù)設計來調控零聲壓避障空腔的形狀和大小，以及聚焦渦旋聲鑷的位置和操控半徑，利用扇形換能器陣列的相位編碼來確定聚焦渦旋聲鑷的拓撲荷，調控渦旋焦域的形狀和操控能力，實現(xiàn)聚焦渦旋聲鑷的避障操控。具體步驟如下：

(1)基于一維線型聲源的自彎曲無衍射波束特性，利用相關自彎曲波束函數(shù)(貝塞爾函數(shù)，艾里函數(shù)，韋伯函數(shù)等)的二元相位制設計一維槽型調制結構，產生具有圓弧傳播軌跡的非衍射自彎曲聲束；