一种可编码超声镊系统及其实施方法

1.本发明属于声学操控技术领域，具体涉及一种可编码超声镊系统及其实施方法。


背景技术：

2.随着生物医药等领域的发展，可实现对细胞、微生物、微小颗粒等对象的精准捕获及定向操控的微操控技术变得愈加的重要，微操控技术可以分为接触式和非接触式，由于接触式存在一定的技术极限且极易对被操控物体产生不可逆的损伤，因此非接触式微操控装置及方法便有着巨大的优势。
3.非接触式根据实现方法可分为光场、磁场、微流、超声等领域，相比于其他的技术，广泛应用于医学检测等领域的超声技术有着损耗小，生物损伤低，穿透性强等优点，更适合于生物细胞工程、细胞的有序组装等。超声镊技术主要集中在驻波方法和波束方法：驻波方法主要通过布置在基底上的成对体波换能器实现，调整成对换能器的布置距离、频率等，可以使得声表面波在两换能器之间形成驻波场，调节波节和波腹的位置可以实现对物体的定向移动，但这种方法会形成一系列声势阱，不利于微小物体的精确操控；波束方法通过对超声波进行聚焦形成声辐射力势阱来捕获微小颗粒，通过移动势阱位置来达到定向移动操控的方式，目前主要有换能器阵列、人工结构平板等结构方案，其中换能器阵列通过调节不同换能器的相位差来实现波束聚焦，人工结构平板则依靠超声波与超结构的相互作用进行聚焦。
4.尽管基于波束方法的超声镊技术可以实现精确操控且具有结构简单等优点，但仍存在一些问题，对于人工结构平板来说，其可以非常容易地形成聚焦，但当平板结构确定后聚焦位置便难以调控，同时对于微粒的定向移动和操控也多依赖于系统整体的移动平台；对于换能器阵列其可以通过调节相位的变化来实现微粒的定向移动和操控，但它需要一系列的换能器，因此存在系统复杂的问题，并且需要对每一个换能器都单独控制并给予不同激励信号，增大了实施难度。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可编码超声镊系统及其实施方法，解决人工结构平板中无法改变超声波聚焦位置并通过移动聚焦点实现微粒定向移动和操控；以及换能器阵列中换能器数量众多且独立控制困难的问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种可编码超声镊系统，包括流道单元，流道单元内包含若干赫姆霍兹谐振腔，流道单元依次经传动系统和舵机与计算机连接，通过计算机对赫姆霍兹谐振腔的空腔体积进行机械式调节以实现对流道单元内超声波的相位调控。
8.具体的，超声波由超声换能器激励产生，超声换能器经功率放大器与波形发生器连接。
9.具体的，流道单元包括多个，第n个流道单元5的相位差为δφn＝k|x
f-xn|，xf为聚
焦点坐标向量，k为输入波的波数，xn为第n个流道的出口处坐标向量。
10.进一步的，对m个流道单元进行信号调制，某个点的总声压p(x,t)为：
[0011][0012]
其中，pn为单个流道单元的传输声波场，t为传播时间，x为场传播范围内的某点坐标向量。
[0013]
更进一步的，流道单元出口在辐射范围内的声压分布pn(x,t)如下：
[0014][0015]
其中，t为传播时间，x为场传播范围内的某点坐标向量，xn为第n个流道的出口处坐标向量，tn和δφn分别为第n个流道的传播系数和相位偏移，a，ω和k分别是输入波的幅值，频率和波数。
[0016]
本发明的另一个技术方案是，一种可编码超声镊系统的实施方法，包括以下步骤：
[0017]
s1、根据工作频率确定流道单元的参数，包括流道数量、面积、壁厚、狭缝面积、谐振腔数量和谐振腔体积；
[0018]
s2、根据步骤s1确定的流道单元参数，随空腔体积变化模拟流道单元出口的超声波时域信号，计算时域信号的幅值及相位变化；
[0019]
s3、根据步骤s2得到的幅值及相位变化关系对步骤s1确定的单元结构参数进行微调，使空腔体积变化过程中相位覆盖一个完整周期，同时在一周期相位对应范围内幅值大于等于80％，对超声波相位进行调控；
[0020]
s4、将微粒待俘获位置作为声压聚焦点，计算声压聚焦点与每个流道单元出口处的相位差；
[0021]
s5、通过步骤s4中确定的相位差，同时依据步骤s3得到的相位差与谐振腔体积的变化关系，确定每个流道单元需要调整的体积值，通过计算机控制舵机对谐振腔体积进行调控，将超声波聚焦于步骤s4确定的声压聚焦点，形成超声势阱实现对粒子的稳定捕获。
[0022]
具体的，流道单元的尺寸为λ/30～λ/6。
[0023]
具体的，步骤s1中，工作频率为20～60khz。
[0024]
具体的，步骤s1中，谐振腔数量为4～7，流道数量为16～30。
[0025]
具体的，步骤s5完成后，确定粒子运动的路线，计算路径上各点所对应的相位差，通过计算机调整所有流道单元的体积，使聚焦点沿计划路线运动，实现微粒的定向移动和操控。
[0026]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0027]
本发明一种可编码超声镊系统，通过流道单元内的赫姆霍兹谐振腔实现对超声波相位的调控作用，舵机运动系统和计算机控制系统可以实现流道单元相位的动态调控功能，实现可编码的超声镊系统。
[0028]
进一步的，需要的超声波信号通过波形发生器产生并通过功率放大器进行放大后施加到超声换能器上，在水中获得所需的超声波，此处所有换能器施加的信号可以由同一个波形发生器产生，极大地简化了信号发生系统。
[0029]
进一步的，超声镊系统由多个流道单元组成，其可以提高聚焦点处的声压强度，通过推导可以得到聚焦点与某个流道单元出口处的相位差公式，此公式用于计算每个流道单元针对某个聚焦点所相对应的相位差数据，进一步指导流道单元谐振腔体积的调控。
[0030]
进一步的，对m个流道单元进行信号调制，确定某个点的总声压p(x,t)，推导相位差公式。
[0031]
一种可编码超声镊系统的实施方法，初步设计结构，确定流道、谐振腔与超声波工作频率的耦合性，为超声波的谐振控制、传播路径控制提供思路；计算随着空腔体积变化，超声波在流道内产生的相位差；最终确定结构参数，实现超声波在一个周期内的平滑调控，提供一种超声波传播路径上机械式相位调控的方法；类比于相控阵聚焦方法，计算每个流道到聚焦点的相位差，为下一步提供基础；通过得到的相位随体积变化曲线确定每一个流道的体积，调节实现超声波聚焦，形成声辐射力势阱，捕获微粒；确定移动路线后便可以动态改变空腔体积，按照路线移动聚焦点，实现微粒的定向移动和操控。
[0032]
进一步的，流道单元结构尺寸参数为λ/30～λ/6，针对一个流道单元来说，谐振腔在波传播方向上的长度要低于超声波波长，此时谐振腔内部声压可以对传播过程中的超声波实现相位延迟作用，同时单元的宽度也要低于超声波波长，宽度参数可以影响到最终声场分布分辨率，更低的宽度意味着更高的分辨率，即更准确的聚焦点，同时需要考虑到小的结构所带来的制造难度，因此结构存在尺寸下限。
[0033]
进一步的，工作频率范围为20～60khz，更高的频率有着更小的波长，可以保证最终声场分布的分辨率，提高聚焦点处对微粒捕获的能力以及捕获点的精确度，同时由前所述小波长也会带来制造的难度，根据声波在水中的传播速度(1500m/s)可以计算得到20～60khz工作频率范围对应波长范围为25mm～75mm，此时波长更适合加工制造同时聚焦点位置可以保证分辨率。
[0034]
进一步的，谐振腔数量范围为4～7，谐振腔数量较少时无法对超声波相位进行有效的调控作用，数量较多时会明显降低超声波强度，造成聚焦点处声压较低，无法形成有效声压势阱，同时较多的谐振腔也会增大制造难度。
[0035]
进一步的，此超声镊系统可以通过动态调节谐振腔体积实现微粒的移动，由于微粒会被捕获在声压势阱即聚焦点，因此通过计算运动路径沿程各点相位差并对谐振腔进行动态调控实现聚焦点的移动，可以实现操控微粒沿规定路径运动，最终实现微粒的捕获及定向操控。
[0036]
综上所述，本发明实现在超声波传播路径中相位的调控，通过舵机编码调节空腔体积实现相位调控，经过相位延迟后的超声波将会聚焦于设定的特定位置，形成超声势阱，并通过动态调节空腔体积实现聚焦点的移动，达到定向移动操控的目的。
[0037]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0038]
图1为本发明的实施步骤图；
[0039]
图2为本发明超声镊技术系统组成侧视示意图；
[0040]
图3为本发明超声镊技术系统组成斜二测示意图；
[0041]
图4为本发明流道三维结构示意图；
[0042]
图5为本发明流道结构参数设置图；
[0043]
图6为本发明超声波归一化幅值随空腔高度变化图；
[0044]
图7为本发明超声波相位随空腔高度变化图；
[0045]
图8为聚焦点为(40,0)时各流道相位差图；
[0046]
图9为聚焦点为(40,0)时超声波声压归一化强度图；
[0047]
图10为聚焦点为(30,40)时各流道相位差图；
[0048]
图11为聚焦点为(30,40)时超声波声压归一化强度图。
[0049]
其中：1.波形发生器；2.功率放大器；3.传动系统；4.超声换能器；5.流道单元；6.舵机；7.计算机；8.微粒；9.水池。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0052]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0053]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0054]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0055]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0056]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0057]
超声镊以其良好的生物兼容性，高穿透性等优势受到了广泛的关注，其中波束方法成为超声镊研究中的热点，对微小颗粒细胞等的捕获需要通过声辐射力作用于微粒最终将其捕获至声势阱处，一般而言在距离超过超声波激励源(k为波数)处，声辐射力与声压成反比，因此声压极大值点即为声辐射力势能极小值点，通常波束方式利用聚焦声场获得局部声压极大值。
[0058]
请参阅图2和图3，本发明一种可编码超声镊系统，超表面由一组充满水的流道单元5构成，每一个流道单元5内包含若干个可以机械式调节空腔体积的赫姆霍兹谐振腔，由舵机6实现对每一条流道单元5内空腔体积的控制，调节空腔体积对流道单元5内超声波相位进行调控，通过调节各流道单元5的相位，将超声波聚焦于任意确定的位置，进而实现声势阱实现对水池9内微粒8的捕获，通过舵机6编码进一步调节空腔体积便可实现微粒8的定向移动和动态操控。
[0059]
通过带有可调体积的赫姆霍兹谐振腔的流道单元5对超声波的相位进行调控，使得超声波的相位变化覆盖一个周期；对于大范围内的二维声场来说，流道单元5的出口为一个超声波点源。
[0060]
通过波形发生器1构造超声信号，将信号经功率放大器2放大后施加于超声换能器4激励出所需超声波，超声波经水介质传播至流道单元5处，流道单元5包含若干个谐振腔，其空腔体积通过计算机7控制舵机6经传动系统3进行机械式调节，最终经流道单元5相位调制后的信号聚焦于设定点，在此处形成声势阱将微粒8捕获在此处，通过动态改变空腔体积，实现对微粒8的操控。
[0061]
请参阅图4和图5，宽流道高度为h2，上下缘结构高度为h1，谐振腔内腔宽度为l2，高度为hx，上缘结构高度为h4，侧边结构宽度为l3，谐振腔与窄流道连接口宽度为l1，窄流道高度为h3，整个流道单元厚度为w1，其中流道内腔厚度为w2。
[0062]
单个点源辐射范围内声压分布pn(x,t)如下：
[0063][0064]
其中，t为传播时间，x为场传播范围内的某点坐标向量，xn为第n个流道的出口处坐标向量，tn和δφn分别为第n个流道的传播系数和相位偏移，a，ω和k分别是输入波的幅值，频率和波数。
[0065]
设有m个流道单元进行信号调制，则某个点的总声压p(x,t)为：
[0066][0067]
其中，pn为单个流道单元的传输声波场。
[0068]
为了得到最大的声压，需确保声压分布公式中的最后一项最大，即对于第n个流道的相位差固定为δφn＝k|x
f-xn|，xf为聚焦点坐标向量。
[0069]
请参阅图1，本发明一种可编码超声镊实施方法，包括以下步骤：
[0070]
s1、确定工作频率为20～60khz，初步确定流道单元的参数包括流道数量、面积、壁厚、狭缝面积、谐振腔数量、谐振腔体积等参数；
[0071]
流道单元尺寸参数随频率的确定而变化，整体为λ/30～λ/6，谐振腔数量在4～7，
流道数量在16～30，材料优先选择高声阻抗材料，如不锈钢等。
[0072]
s2、使用商业化有限元仿真软件对随着空腔体积变化模拟流道出口超声波时域信号，计算求得时域信号的幅值及相位变化；
[0073]
有限元仿真软件包括comsol、ansys。
[0074]
s3、观察步骤s2所得相位是否覆盖一个周期(即-π～π)，同时在相位对应范围内幅值未低于80％，此时认为对应范围内能够对超声波相位进行调控同时幅值未发生较大衰减，若结果不理想，则改变流道参数设置继续进行步骤s2，直至得到符合要求的参数及体积变化范围；
[0075]
s4、确定微粒俘获的位置，即确定声压聚焦点，通过公式δφn＝k|x
f-xn|计算得出每个流道单元的相位差；
[0076]
每个流道单元的相位差δφn具体为：
[0077]
δφn＝k|x
f-xn|
[0078]
其中，k为输入波的波数，xf为聚焦点坐标向量，xn为第n个流道的出口处坐标向量。
[0079]
s5、通过步骤s3中确定的谐振腔体积与相位的变化关系，确定每个流道单元需要调整的体积值，通过计算机控制舵机对谐振腔体积进行调控，将超声波聚焦于确定的点，形成超声势阱实现对粒子的稳定捕获；
[0080]
s6、确定粒子运动的路线，计算路径上各点所对应的相位差，通过计算机动态的调整所有流道的体积，使聚焦点沿计划路线运动，实现微粒的定向移动和操控。
[0081]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0082]
实施例
[0083]
设计一个具有5个谐振腔及24条流道的声镊系统，超声波工作频率确定为50khz，流道结构三维示意图及平面图如图4和图5所示，谐振腔的数量确定为5，各尺寸信息为h1＝1mm，h2＝5mm，h3＝1mm，h4＝0.5mm，l1＝1mm，l2＝3mm，l3＝0.3mm，w1＝5mm，w2＝4mm。
[0084]
hx是可变化的，用于调整空腔体积，其在0～5mm内变化。
[0085]
w1为流道单元厚度，w2为流道单元内腔的厚度。
[0086]
流道数量确定为24，材料为不锈钢，由于谐振腔截面确定，因此体积的变化将由谐振腔高度来表示。
[0087]
幅值与相位随谐振腔高度的变化通过商业化有限元软件comsol仿真得到，如图6和图7所示，由图中可得，当高度在0.5～3mm之间变化时，得到覆盖整个周期的相位变化，同时幅值保持在较高水平。
[0088]
在仿真过程中选取两点作为聚焦点，第一点为(40，0)(mm)的位置，此时24个流道的相位差如图8所示，根据此相位差调节谐振腔高度，最终声压分布如图9所示，从图中看出此时(40，0)(mm)处拥有最大的声压，表明我们的系统实现了超声波聚焦的作用，第二点为
(30，40)(mm)的位置，同样的相位差由图10所示，最终聚焦效果在图11中展示，也可以看出此时声压最大处为(30，40)(mm)，这表明通过改变不同的相位，将聚焦点移动至任意位置，起到微粒捕获及定向移动操控的目的。
[0089]
从本实施例中可得，在未对超声镊单元流道及超声换能器系统进行更换及较大改动的情况下实现了对于微粒于不同位置的捕获，这体现了本超声镊系统的可编码及声波产生系统简便的优点，对于微粒的定向操控可以通过计算机对谐振腔体积进行动态调节，相比之下调控方式更加方便，适用性更强。同时此系统不仅仅可以实现单聚焦点，通过对各流道单元的谐振腔体积进行特殊设计后，可以实现双聚焦点以及沿曲线分布等特征，实现更加多样化的捕获及操控手段。
[0090]
综上所述，本发明一种可编码超声镊系统及其实施方法，通过一组由若干个谐振腔构成的流道单元实现对超声波的相位调控，相位调控的调节机制为改变谐振腔体积，通过计算机控制的舵机系统进行控制，通过计算聚焦点与各流道单元的相位差对各组谐振腔体积进行相应调节，将超声波聚焦于选定的微粒捕获点，在此处形成声压势阱实现微粒捕获，同时通过计算选定路径中的各点与流道单元的相位差数据，通过计算机及舵机系统对谐振腔体积进行动态调控，将聚焦点位置随路径移动，实现微粒的定向操控功能，在对各流道单元谐振腔体积特殊设计后可以实现双焦点及沿曲线分布等特征，增加了系统对微粒捕获和操控的手段，使得对于微粒的捕获及操控更加的自由及简便。
[0091]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。