一种聚焦声透镜的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超声治疗技术领域，更具体地说，涉及一种聚焦声透镜的设计方法。
【背景技术】
[0002]高强度聚焦超声(HIFU)技术是一种有效的无损创伤治疗技术，对体内深层、固体肿瘤组织的治疗具有很好的效果，其主要是通过一定的方式使超声波透过体表后聚集在病灶组织上，经过细胞与超声的相互作用，在病灶组织内产生不可逆转的凝固性坏死，从而达到治疗的目的。目前，该技术以其无害、安全、有效等优势得到了国内外许多学者和医生的广泛关注，并已在泌尿学、肿瘤学、神经外科、妇科、眼科等医学领域中被广泛应用和推广。
[0003]超声聚焦换能器是HIFU技术的核心器件，由于HIFU技术的应用对象是有生命的活体，治疗过程中要利用高强度超声能量消除病灶，但更重要的是要保证治疗对象的安全性，因此实现超声能量精准聚焦，即超声换能器的聚焦特性的好坏是HIFU技术治疗的关键。根据聚焦方式的不同，常见的超声聚焦换能器主要有球面自聚焦换能器和声透镜聚焦换能器。其中，声透镜聚焦是利用声波在弯曲界面上的折射来达到聚焦的目的，结构简单，成本低廉，能够通过改变透镜曲率来改变焦距，适合应用于超声成像和超声治疗。然而由于声透镜聚焦换能器的聚焦效果受到声波衍射效应的影响，焦点的旁瓣幅度相对较大，在超声成像中容易导致伪影和斑点等不利效果，在超声治疗中容易对目标治疗区域周围的人体组织造成一定的损伤。
[0004]Durnin在自由空间的波动方程中发现了非衍射解[Phys.Rev.Lett.58(15) 1987]，利用该理论实现的声束能够在轴向上保持稳定的幅度值。非衍射声束具有良好的声场特性，在医学成像，组织定征，多普勒流测量，材料无损检测等许多领域具有良好的应用前景，因而得到广泛研究。但这类解的算法复杂，能量激发效率不高，需要较大的空间尺度，从而限制了其推广应用。
[0005]近年来关于利用声学反常透射现象的声学人工结构的研究也取得了许多进展，在声学人工结构中利用声子晶体与基体界面上的表面波都可以获得非衍射声束(J.Appl.Phys.106 (4)，044512-044513，2009)。Chri stensen等人在声学刚性板上加上周期性凹槽结构后，利用在结构中激发的声表面波获得了声波反常透射和非衍射的效果[Nat.Phys.3(12)，851-852，2007]，该理论提供了一种高效简便的激发准直声束的方法。但由于非衍射声束理论属于较新的声学原理，截止于目前，国内外学者对非衍射声束理论的研究还处于比较浅显的阶段，还没有研究能够将非衍射声束理论与聚焦超声设备相结合，也没有研究能够将声准直效应应用于超声聚焦理论。
[0006]经检索，关于提高聚焦效果的聚焦设备已有相关专利公开。
[0007]如，中国专利申请号:201510010200.X，申请日为:2015年01月08日，发明创造名称:一种基于位移本征模式的声波聚焦器件，该申请案主要是通过将金属环状结构浸没在水中作为声聚焦器件，从而将焦点的形状由椭球形压缩到一个平面附近范围内，在一定程度上可以提高声波的聚焦效果，但该申请案并没有涉及声透镜的设计和制备，其原理与本发明不同，且其对径向旁瓣幅度的抑制效果及对焦点增益的提升效果也没有提及。
[0008]又如，中国专利申请号:201210142895.3，申请日为:2012年05月07日，发明创造名称为:一种聚焦方法和装置，该申请案利用时间反转理论能够实现自适应的高精度聚焦，提高了聚焦超声的精度和超声治疗的准确性。但该申请案也没有涉及声透镜的设计和制备，其主要是针对电子相控阵列聚焦方式进行的改进，虽能够在一定程度上增强焦点的超声强度，但不能够抑制焦点处径向旁瓣的幅度，也不能减小声焦点与几何焦点之间的偏移，从而不可避免地会对目标治疗区域周围的人体组织造成一定的损伤。
【发明内容】
[0009]1.发明要解决的技术问题
[0010]本发明的目的在于克服超声聚焦换能器采用现有声透镜进行聚焦时，焦点附近的径向旁瓣幅度较大，在超声治疗中会对目标区域周边的人体组织造成一定损伤的不足，提供了一种聚焦声透镜的设计方法。通过使用本发明的设计方法设计的聚焦声透镜，能够利用声波反常透射现象激发声准直效应，从而将能量更好地聚集到焦点区域，大大降低了焦点径向旁瓣的幅度，且提高了焦点的声波聚焦增益，从而提高了超声成像和超声治疗的准确性与安全性。
[0011]2.技术方案
[0012]为达到上述目的，本发明提供的技术方案为:
[0013]本发明的一种聚焦声透镜的设计方法，其步骤为:
[0014]步骤一、选定聚焦声透镜的初始目标工作频率f。，根据该初始目标工作频率&计算出声波在工作介质中的纵波波长λ ;在聚焦声透镜表面的声辐射面，即凹球面上设置周期性分布的同心环状凹槽结构，并设置该凹槽结构的初始分布参数:相邻凹槽的间隔为L。，凹槽的深度为h。，凹槽的宽度为d。；
[0015]步骤二、在有限元模型计算中循环调节凹槽的宽度d和深度值h，并采用频率扫描的方法分别计算焦点声压及透镜的声透射率相对于频率f的变化关系，当产生焦点声压最大的工作频率flniax与声波反常透射的峰值频率f 2_的差值| f lnax-f2nax I达到预期要求时即停止循环，以此时产生焦点增益最大的工作频率flniax作为目标工作频率f:，并以此时的凹槽深度和宽度分别作为本次循环中优化的凹槽深度匕和宽度d 1；
[0016]步骤三、在目标工作频率匕附近分析焦点处的径向旁瓣相对于主瓣的幅度比值，在有限元模型计算中保持优化后的凹槽深度h和宽度d i不变，不断调节相邻凹槽的间隔L使上述幅度比值达到最小，从而取得最佳的径向旁瓣幅度抑制效果，并以此时相邻凹槽的间隔L作为本次循环中优化的相邻凹槽的间隔L1;
[0017]步骤四、评价经步骤一至步骤三中优化后的聚焦声透镜在目标工作频率处的聚焦效果，聚焦效果包括以下三项指标:(a)焦点处的径向旁瓣幅度相对于主瓣幅度的比值；(b)焦点处的聚焦增益，即焦点声压相对于平面活塞超声换能器发射声压的增益；(c)声压焦点位置与透镜几何焦点位置之间的偏移量；
[0018]步骤五、如果步骤四中聚焦声透镜在目标工作频率处的聚焦效果未达到设定目标，则重复进行步骤二至步骤四，直至步骤四中聚焦声透镜在目标工作频率处的聚焦效果达到设定目标；
[0019]步骤六、根据步骤五中最终得到的凹槽宽度d、凹槽深度h、相邻凹槽的间隔L来制作聚焦声透镜。
[0020]更进一步地，步骤一中所有凹槽的圆心均位于聚焦声透镜的轴线上，且每个凹槽的底部与顶部的宽度保持弧度值一致。
[0021]更进一步地，步骤一中设置相邻凹槽间隔的初始值L。以及凹槽深度的初始值h。均为波长λ，凹槽宽度的初始值d。为半波长λ /2。
[0022]更进一步地，步骤二中凹槽的深度h与宽度d的具体优化过程为:
[0023](1)先保持凹槽的宽度d不变，以初始深度h。的1%为步长增大凹槽的深度h，若flnax-f2nax I减小，则继续以i:述步长增大凹槽深度h，反之则以i:述步长持续减小凹槽的深度h，当比_-&_|开始变大时则停止调整，以|flnax-f2nJ开始变大前的凹槽深度作为新的凹槽深度h;
[0024](2)使新的凹槽深度h保持不变，以初始宽度d。的1 %为步长增大凹槽的宽度d，若比_-&_1减小，则继续以上述步长增大凹槽宽度d，反之则以上述步长持续减小凹槽宽度d，当|flniax-f2_|开始变大时则停止调整，以|flniax-f2_l开始变大前的凹槽宽度作为新的凹槽宽度d ;
[0025](3)循环执行步骤(1)、步骤(2)，当|flniax-f2_|达到预期要求时即停止循环。
[0026]更进一步地，在步骤(3)中，当I flnax-f2nax I小于声波反常透射的峰值频率&_的1%时停止循环，此时得到的凹槽深度h和宽度d值即为本次循环中优化的凹槽深度匕和宽度山，且以此时产生焦点增益最大的工作频率flniax作为目标工作频率f 1;若上述条件始终无法满足，则以循环过程中使|flniax-f2_l的值最小时的凹槽深度h和宽度d值作为本次循环中优化的凹槽深度匕和宽度d ρ以此时产生焦点增益最大的工作频率flniax作为目标工作频率A。
[0027]更进一步地，步骤三中相邻凹槽间隔L的具体优化过程为:以凹槽初始间隔L。的0.5%为步长增大相邻凹槽的间隔L，如果焦点处的径向旁瓣与主瓣的幅度比值变小，则继续以上述步长增大相邻凹槽的间隔L;如上述比值变大，则以凹槽初始间隔L。的1%为步长持续减小相邻凹槽的间隔L ;当调整至上述幅度比值开始变大时则停止调整，并以上述幅度比值开始变大之前的相邻凹槽间隔作为优化的相邻凹槽间隔Q。
[0028]3.有益效果
[0029]采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果:
[0030](1)本发明的一种聚