一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统及其方法，属于超声声场测量【技术领域】。本发明步骤为：一、获得球壳换能器轴向及其焦平面径向的声压分布曲线；二、根据瑞利积分计算球壳换能器轴向及焦平面径向的声压分布曲线，将计算结果与测量结果比较，获得有效参数；三、将有效参数代入非线性声传播模型，计算R21，再改变P0，计算不同P0对应的R21，得R21与P0的关系曲线；四、对球壳换能器施加激励，测量焦点波形，计算得R21′，插值得到R21′对应的P0′；五、将P0′带入非线性声传播模型，得到非线性声场分布。本发明有效解决了水听器在测量强非线性声场带宽不足的问题，使用相对值R21作为判断依据，消除了水听器灵敏度不高带来的测量隐患。
【专利说明】一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声声场测量【技术领域】，更具体地说，涉及一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统及其方法。
【背景技术】
[0002]近十多年来，高强度聚焦超声(HIFU)作为一种新兴的非侵入式治疗肿瘤方法得到人们极大的关注。HIFU治疗肿瘤的主要原理是将体外超声能量聚焦于体内肿瘤组织内，靶区组织吸收声能量，温度在短时间内上升至65°C以上，发生不可逆凝固性坏死。为确保治疗的安全性和有效性，治疗前必须准确描述HIFU声场分布。由于HIFU治疗时声能量很高，焦点声压甚至能达到IOOMPa量级；强非线性导致声波波形严重畸变，甚至形成冲击波，频谱展宽。强声压和宽频带是HIFU声场测量中的两个挑战，要求声场测量系统既要能承受强声压又要有很宽的频带，而目前一直没有理想的声场测量系统能够满足上述两点。
[0003]传统的测量声场方法(例如使用PVDF水听器测量)无法满足HIFU声场的极端条件，目前比较常用的方法是使用光纤水听器，利用光纤端口的声-光效应(如压力变化导致光反射系数变化)测量HIFU声场。虽然光纤水听器灵敏度不如传统PVDF水听器高且噪声较大，但是其频带宽且鲁棒性好。然而，在实际测量中发现，当冲击波产生后，光纤水听器带宽仍然不能满足测量要求，测得的峰值正压常常小于实际值。此外，研究者们还提出了一些非侵入式的通过监测HIFU声场中质点位移的测量声场技术，如通过磁共振MRI (magneticresonance imaging)、粒子速度成像PIV(particle image velocimetry)等，但这些方法还很不成熟，且造价昂贵。
[0004]另一方面，HIFU非线性声传播模型目前已经较为成熟。Westervelt方程描述了精确到二阶的非线性声场。对于平面和弱聚焦换能器(半张角小于16° )，在近轴近似下，Westervelt 方程可以化简为著名的 Khokhlov - Zabolotskaya - Kuznetsov(KZK)方程；对于强聚焦换能器，在椭球坐标系下，Westervelt方程可以化简为Spheroidal beamequation(SBE)模型。在已知边界条件，即换能器表面声压分布后，非线性声场模型可以准确的预测HIFU声场分布。
[0005]目前，有研究者提出了结合实验测量与数值模型来确定高强度聚焦超声非线性声场的方法。Canney等人于2008年提出了该方法:首先根据线性声场测量和数值计算结果得到换能器有效参数；其次根据测量的焦点声压和换能器聚焦增益得到换能器表面声压Ptl ;假设激励换能器的电信号Vtl与换能器表面声压Ptl成线性关系，那么在任意电信号V激励下，换取表面声压P=Ptl(VzX);最后将表面声压ρ作为边界条件，可以计算得到在该激励下的声场分布。然而，此方法的缺点在于当激励电信号很强时，电信号与换能器表面声压的线性关系无法得到保证。
【发明内容】
[0006]1.发明要解决的技术问题[0007]本发明的目的在于克服现有高强度聚焦超声非线性声场的测量方法，在强非线性条件下，测量系统带宽不够，导致声场测量准确度不高的问题，提供了一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统及其方法，本发明提供的技术方案测量准确度高、容易实施，测量过程中对水听器的灵敏度要求较低，避免了因水听器灵敏度低导致检测结果不准确的隐患。
[0008]2.技术方案
[0009]为达到上述目的，本发明提供的技术方案为:
[0010]本发明的一种测量强聚焦超声非线性声场分布的方法，其测量步骤为:
[0011]步骤一、在线性声场条件下，测量球壳换能器轴向以及该球壳换能器焦平面径向的声压，获得球壳换能器轴向及其焦平面径向的声压分布曲线；
[0012]步骤二、根据瑞利积分计算球壳换能器轴向及该球壳换能器焦平面径向的声压分布曲线，将计算结果与步骤一获得的测量结果相比较，调节球壳换能器的张口半径a和几何焦距d，使得计算获得的球壳换能器轴向及其焦平面径向声压分布曲线与步骤一的测量结果相吻合，获得球壳换能器有效参数a和d ;
[0013]步骤三、将步骤二获得的有效参数代入非线性声传播模型，计算焦点的二次谐波与基波的比值R21,再改变球壳换能器表面声压幅值Po，计算不同表面声压幅值Ptl对应的R21，得R21与Ptl的关系曲线；
[0014]步骤四、对球壳换能器施加单频电信号激励，测量焦点波形，对该焦点波形进行傅里叶变换，计算得R21,，根据步骤三得到的R21与Ptl的关系曲线进行插值，得到R2/对应的球壳换能器表面声压Pc/ ；
[0015]步骤五、将步骤四获得的表面声压P/带入步骤三所述的非线性声传播模型，计算得到步骤四施加的电信号激励对应的非线性声场分布。
[0016]更进一步地，步骤一测量声压的条件为:对球壳换能器施加低能量激励，使得球壳换能器焦点处基波幅度与二次谐波幅度的差值不低于40dB，忽略声传播过程中的非线性效应，将声场近似为线性声场。
[0017]更进一步地，步骤二涉及的瑞利积分公式为:
[0018]
【权利要求】
1.一种测量强聚焦超声非线性声场分布的方法，其测量步骤为: 步骤一、在线性声场条件下，测量球壳换能器轴向以及该球壳换能器焦平面径向的声压，获得球壳换能器轴向及其焦平面径向的声压分布曲线； 步骤二、根据瑞利积分计算球壳换能器轴向及该球壳换能器焦平面径向的声压分布曲线，将计算结果与步骤一获得的测量结果相比较，调节球壳换能器的张口半径a和几何焦距山使得计算获得的球壳换能器轴向及其焦平面径向声压分布曲线与步骤一的测量结果相吻合，获得球壳换能器有效参数a和d ; 步骤三、将步骤二获得的有效参数代入非线性声传播模型，计算焦点的二次谐波与基波的比值R21，再改变球壳换能器表面声压幅值Po，计算不同表面声压幅值Ptl对应的R21，得R2I与P。的关系曲线； 步骤四、对球壳换能器施加单频电信号激励，测量焦点波形，对该焦点波形进行傅里叶变换，计算得民/，根据步骤三得到的R21与Ptl的关系曲线进行插值，得到R2/对应的球壳换能器表面声压Pc/ ； 步骤五、将步骤四获得的表面声压Pc/带入步骤三所述的非线性声传播模型，计算得到步骤四施加的电信号激励对应的非线性声场分布。
2.根据权利要求1所述的一种测量强聚焦超声非线性声场分布的方法，其特征在于:步骤一测量声压的条件为:对球壳换能器施加低能量激励，使得球壳换能器焦点处基波幅度与二次谐波幅度的差值不低于40dB，忽略声传播过程中的非线性效应，将声场近似为线性声场。
3.根据权利要求2所述的一种测量强聚焦超声非线性声场分布的方法，其特征在于:步骤二涉及的瑞利积分公式为:
4.根据权利要求3所述的一种测量强聚焦超声非线性声场分布的方法，其特征在于:步骤二要求计算获得的球壳换能器轴向及其焦平面径向声压分布曲线与步骤一测量结果的吻合程度为:测量结果与理论计算结果的主瓣偏差低于5%。
5.根据权利要求2或3所述的一种测量强聚焦超声非线性声场分布的方法，其特征在于:步骤三在椭球坐标系下计算声场分布，椭球坐标系中一点(6 与直角坐标系(X，y, z)的变换关系为:
6.根据权利要求5所述的一种测量强聚焦超声非线性声场分布的方法，其特征在于:步骤三所用的SBE模型的边界条件为:
7.一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统，包括示波器(I)、计算机(2)、信号发生器(3)、功率放大器(4)、水听器(6)、球壳换能器(7)和水槽(8)，其特征在于:还包括三维运动平台(5)，所述的示波器(I)、计算机(2)、信号发生器(3)、功率放大器(4)和球壳换能器(7)依次相连，功率放大器(4)将信号发生器(3)的输出信号放大，驱动球壳换能器(7)激发声场；所述的球壳换能器(7)固定于水槽(8)内部，水槽(8)内盛装有水；所述的三维运动平台(5)控制水听器(6)移动，测量球壳换能器(7)轴向及该球壳换能器(7)焦平面径向声压分布；所述的示波器(I)采集水听器(6)的输出信号；所述的计算机(2)用于调控整个测量系统，计算机(2)完成的功能包括:控制信号发生器(3)输出，控制三维运动平台(5)运动以及存储数据。
【文档编号】G01H9/00GK103776524SQ201410059590
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】范庭波, 陈涛, 章东, 胡济民, 张崴 申请人:南京大学