陳韻琳 謝梓嵐 袁添文 毛冠文

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

一種非侵入式檢測(cè)聚焦超聲場(chǎng)的方法及裝置

陳韻琳 謝梓嵐 袁添文 毛冠文

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

介紹了一種用激光通過聲光折射法對(duì)聚焦超聲場(chǎng)進(jìn)行非侵入式測(cè)量的方法及裝置.該方法采用一束直徑小于聲波長(zhǎng)的平行激光束垂直入射于聚焦焦點(diǎn)，通過建立焦點(diǎn)聲壓與光線最大偏轉(zhuǎn)距離間的關(guān)系模型，即可計(jì)算出某點(diǎn)的聲壓.通過將激光沿聲軸線方向進(jìn)行微小位置調(diào)節(jié)，利用光束在聚焦超聲場(chǎng)中由于介質(zhì)折射率不同導(dǎo)致的光線折射，即可測(cè)得焦域范圍的聲壓分布以及焦斑寬度.所得實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論仿真結(jié)果對(duì)比相差不大，證明此方法是可行的.

聲光折射 焦點(diǎn)聲場(chǎng)分布 焦斑寬度 超聲波聚焦

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的外科手術(shù)由微創(chuàng)進(jìn)入無創(chuàng)的時(shí)代，高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)作為一種新興的無創(chuàng)腫瘤治療技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外廣泛開展，并取得了顯著臨床效果，尤其是近年來在子宮肌瘤的治療取得了較好的臨床效果.HIFU 聲場(chǎng)具有焦點(diǎn)聲壓大、聲強(qiáng)高等特點(diǎn)[1],容易損壞傳感器并降低其靈敏度，若聲波達(dá)到有限振幅波的范圍時(shí)，傳播過程中易滋生非線性諧波并出現(xiàn)聲飽和等現(xiàn)象[2],給聚焦聲場(chǎng)的測(cè)量帶來了很大的困難.目前,測(cè)量超聲波聚焦聲場(chǎng)的方法主要有輻射壓力法[3,4]、水聽器測(cè)量法、光纖檢測(cè)和光學(xué)檢測(cè)等.輻射壓力法雖然操作簡(jiǎn)單且適用范圍廣，但其空間分辨率較低，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高；水聽器測(cè)量法的頻率響應(yīng)范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大，有極好的線性，但其分辨率低，受水中氣泡影響大，靈敏度依賴于溫度；光纖檢測(cè)法的空間分辨率高，響應(yīng)速度快，其聲光衍射法可獲得光聲相交叉區(qū)域聲場(chǎng)完整的分布圖，但此方法對(duì)信號(hào)處理要求較高，且電路復(fù)雜，聲光衍射法只適用于較弱的聲光相互作用.故本文提出了一種基于聲光折射對(duì)超聲波聚焦焦點(diǎn)聲壓進(jìn)行非侵入式檢測(cè)的方法.此光學(xué)方法在測(cè)量時(shí)對(duì)聲壓分布不產(chǎn)生干擾，且由于激光束可聚焦到微米量級(jí)[5], 因此使用激光進(jìn)行測(cè)量可達(dá)到相當(dāng)高的空間分辨力.通過對(duì)激光束進(jìn)行掃描控制, 將能得到十分精細(xì)的超聲聚焦聲場(chǎng)聲壓空間分布.當(dāng)一束直徑小于聲波長(zhǎng)的平行光束直接穿過聚焦超聲焦點(diǎn)時(shí)，光線偏轉(zhuǎn)距離將發(fā)生變化，通過研究光線偏轉(zhuǎn)距離與焦點(diǎn)聲壓變化的關(guān)系，建立相應(yīng)的理論模型，即可計(jì)算出焦點(diǎn)的峰值聲壓，進(jìn)而得出聲軸線的聲壓分布.

1 測(cè)量原理

1.1 聲光折射法

聲光折射法的本質(zhì)是聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，即窄光束(光束寬度小于超聲波波長(zhǎng))穿過超聲場(chǎng)時(shí)，在聲場(chǎng)的作用下，介質(zhì)的折射率將會(huì)隨時(shí)間發(fā)生周期性的變化，光束便會(huì)偏離原來的傳播方向[6].該現(xiàn)象首先由Lucas等觀察到并證實(shí).我們基于該效應(yīng)建立聲場(chǎng)測(cè)量方法，采用一束直徑小于聲波長(zhǎng)的平行激光束射入聚焦聲場(chǎng)，由于介質(zhì)中的聲場(chǎng)光線發(fā)生折射，可根據(jù)光線的偏轉(zhuǎn)軌跡計(jì)算光線的偏移量，建立其與聲壓的關(guān)系.該方法的最大特點(diǎn)是對(duì)光線最大偏轉(zhuǎn)量的峰值測(cè)量精確度高.在聚焦超聲情況下，由于焦點(diǎn)處的聲壓遠(yuǎn)大于旁瓣處的聲壓，光線在垂直穿過焦點(diǎn)前后的區(qū)域內(nèi)，旁瓣引起的介質(zhì)折射率梯度的方向相反，光線穿過旁瓣時(shí)的偏轉(zhuǎn)近似抵消，因此偏轉(zhuǎn)只與焦點(diǎn)處峰值聲壓有關(guān)，便于測(cè)量，變化的參量與聲壓的關(guān)系較簡(jiǎn)單.

1.2 焦點(diǎn)聲壓與光線偏轉(zhuǎn)距離的關(guān)系

本文采用4f鋁聲透鏡來聚焦超聲波.聲透鏡聚焦是常用的聲聚焦方式之一，其原理是利用聲波在彎曲界面上的折射來達(dá)到會(huì)聚聲波的目的[7].超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，通過聲透鏡會(huì)聚于一點(diǎn)(焦點(diǎn))，形成聚焦聲場(chǎng)，如圖1所示，假設(shè)焦點(diǎn)位于原點(diǎn)O處，設(shè)聲波沿y軸正向傳播，光束沿z軸正向入射.

聚焦聲場(chǎng)中聲軸線方向的聲壓分布函數(shù)[1]為

(1)

圖1 聚焦聲場(chǎng)分布圖

焦平面上的聲壓服從Bessel函數(shù)分布，如圖2所示[1]，記為

(2)

式中J1(y)為一階Bessel函數(shù)分布，ks為聲波波數(shù).

圖2 焦平面上的聲壓分布圖

如圖2所示，在焦平面上，激光束在垂直穿過焦點(diǎn)前后區(qū)域的過程中，當(dāng)光束依次經(jīng)過MN和NA兩段介質(zhì)時(shí)，由于這兩段內(nèi)的旁瓣引起的介質(zhì)折射率梯度方向相反，此時(shí)光線穿過旁瓣時(shí)的偏轉(zhuǎn)近似抵消，故可只考慮焦點(diǎn)附近的情況.把焦點(diǎn)附近的聲壓近似成拋物線分布，即

(3)

式中

因此，該模型可簡(jiǎn)化為

p(y,z)=p(y)p(z)

(4)

由于焦點(diǎn)附近聲壓是隨時(shí)間變化的，由式(4)可得

p(y,z,t)=p(y,z)sin(ωst-ksy)

(5)

式中ωs為聲波角頻率.由于聲壓梯度在y軸方向，焦點(diǎn)處聲壓梯度為

(6)

由式(6)可知，某時(shí)刻焦點(diǎn)處的聲壓梯度可取得最大值

(7)

根據(jù)Lorentz-Lorenz定律可知聲壓梯度與介質(zhì)折射率梯度成正比關(guān)系.若光線恰好垂直穿過焦點(diǎn)，設(shè)α為光線在聲場(chǎng)中穿過L距離后的偏轉(zhuǎn)角(通常偏轉(zhuǎn)角α較小),此時(shí)光束在離焦點(diǎn)距離s處的屏幕上將產(chǎn)生一個(gè)最大偏轉(zhuǎn)距離dmax，且s?L，所以有

(8)

(9)

綜上所述，由式(7)～(9)即可得出焦點(diǎn)的峰值聲壓為[9]

(10)

其中，n為介質(zhì)折射率，n=0.133 5,k為聲壓梯度與介質(zhì)折射率的正比系數(shù)，k=1.5×10-10m2/N.

當(dāng)光束垂直穿過焦點(diǎn)時(shí)，光線偏轉(zhuǎn)距離隨不同時(shí)期聲壓的變化而變化，光束以每秒f0(聲波頻率)次的頻率在屏幕上上下擺動(dòng)，由于超聲波頻率很高，人眼或者照相機(jī)觀察不到光束的瞬間位置，而只能觀察到一幅時(shí)間平均的圖像，即展寬為2dmax的橢圓狀光斑[5].

故實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)得的光束最大偏轉(zhuǎn)距離，即為光線穿過焦點(diǎn)時(shí)引起的最大偏轉(zhuǎn)距離，進(jìn)而計(jì)算焦點(diǎn)峰值聲壓.根據(jù)上述測(cè)量原理，通過位移裝置，將光束沿y軸方向移動(dòng)得出聲壓分布，同理，將光束沿x軸方向移動(dòng)，在聚焦的一段位移內(nèi)光束都將有最大偏轉(zhuǎn)，從而找出焦斑的寬度.

2 測(cè)量裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路板驅(qū)動(dòng)的超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波通過4f鋁聲透鏡進(jìn)行聚焦，其頻率為40kHz，聲透鏡的孔徑半徑a=16mm，曲率半徑b=3.9cm，焦距為4cm.將聲透鏡對(duì)準(zhǔn)超聲波發(fā)生器的中心，并置于裝滿純凈水的250mm×250mm×300mm(長(zhǎng)×寬×高)透明的長(zhǎng)方體亞克力板水箱中，水箱底部鋪有一層尖劈狀(厚度約為50mm)的吸聲棉.為了消除雜光對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的影響，在水箱的四周貼滿黑玻璃紙，只在光束的傳播路徑上開兩個(gè)小孔，不影響光束的傳播.將氦氖激光器發(fā)出的光束調(diào)成平行光束，使光束的傳播方向與聲波的傳播方向垂直.根據(jù)聲透鏡的幾何焦距，大致調(diào)節(jié)激光的位置，使得激光光束通過聚焦聲場(chǎng).在離聲透鏡焦點(diǎn)3m處用線性CCD攝像頭對(duì)通過焦點(diǎn)后的光束進(jìn)行采集.線性CCD共有128個(gè)豎直排列的像素采集點(diǎn)，每個(gè)采集點(diǎn)接收的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓值.開啟聲源后，光束經(jīng)過聚焦聲場(chǎng)折射，將展寬為橢圓狀，此時(shí)光束在線性CCD所占的像素采集點(diǎn)增加，在電腦中表現(xiàn)為電壓曲線的展寬.展寬的大小即為光束的偏轉(zhuǎn)距離.偏轉(zhuǎn)距離最大處即為超聲波焦點(diǎn).

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建圖

3 測(cè)量結(jié)果分析

使用上述測(cè)量方法和裝置，我們對(duì)超聲波通過4f鋁聲透鏡產(chǎn)生的聚焦聲場(chǎng)分布進(jìn)行了測(cè)量，得出了焦點(diǎn)聲軸線方向的聲壓分布曲線.為了驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的正確性, 我們根據(jù)式(2)對(duì)上述聚焦聲場(chǎng)的聲壓分布進(jìn)行了理論計(jì)算,得出了如圖4所示的測(cè)量結(jié)果與理論值的比較圖，可見，測(cè)量值與理論計(jì)算值比較吻合.

圖4 聚焦聲場(chǎng)聲軸線聲壓分布曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種基于聲光折射對(duì)聚焦超聲焦點(diǎn)范圍內(nèi)的聲壓進(jìn)行非侵入式的量檢測(cè)，得出了聚焦聲場(chǎng)中聲軸線方向的聲壓分布曲線，與理論模型較接近.通過使光束沿焦域短軸方向移動(dòng)，測(cè)得焦斑寬度為5.0mm.

聲光折射法具有干擾小、分辨率高的特點(diǎn)，這種方法能有效避免光線因發(fā)生衍射而產(chǎn)生的測(cè)量影響，并且由于旁瓣引起的介質(zhì)折射率梯度的方向相反，光線穿過旁瓣時(shí)的偏轉(zhuǎn)能近似抵消，因此偏轉(zhuǎn)只與焦點(diǎn)處峰值聲壓有關(guān)，更便于測(cè)量.現(xiàn)有的超聲聚焦技術(shù)已在醫(yī)療方面得到了廣泛和成功的應(yīng)用，而聲透鏡形成的聲聚焦效果更好、效率更高，且基于聲光折射法對(duì)焦斑參數(shù)的測(cè)量方法能更準(zhǔn)確地反映聚焦聲場(chǎng)的分布，將對(duì)超聲聚焦技術(shù)的發(fā)展起到巨大的作用.

1 周慧婷,呂朋,廖長(zhǎng)義,等.基于聲光折射的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓檢測(cè).光學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(9):67～74

2 李全義,李發(fā)琪,壽文德.高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)的聲場(chǎng)檢測(cè).世界科技研究與發(fā)展,2007,29(6):56～60

3 黃小唯,壽文德.聚焦換能器離散發(fā)射陣列的輻射力計(jì)算.聲學(xué)技術(shù)，2004,23(3):189～192

4 壽文德,王一抗,錢德初，等.聚焦超聲的輻射力計(jì)算與高強(qiáng)度聚焦超聲功率測(cè)量實(shí)驗(yàn).聲學(xué)技術(shù)，1998,17(4):145～147

5 王月兵,平自紅.高頻聚焦換能器聲場(chǎng)的激光測(cè)量法.應(yīng)用聲學(xué),2003,22(1):12～15

6 呂朋,周圓,宋珂，等.基于聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)的液體臨界劇烈空化聲壓的檢測(cè).中國(guó)激光,2013,40(4):165～170

7 付麗媛,李發(fā)琪.高強(qiáng)度聚焦超聲換能器.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2009,26(3):667～670

A Method and Device of Non-invasive Measuring Focused Ultrasound Field

Chen Yunlin Xie Zilan Yuan Tianwen Mao Guanwen

(School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou, Guangdong 510006)

This paper introduces a non-invasive method and device of measuring the focused ultrasound field by laser based on acousto-optical refraction. With a beam of parallel laser whose diameter is shorter than that of the ultrasound wave irradiating into the focused field, the method builds a simple relational model between the sound pressure of the focus and the maximal deflection distance, to calculate the sound pressure in a certain point. Then, by slightly moving the laser, the method finds the critical point of focusing with the light refraction caused by different medium refractivity in the focused field, to measure the distribution of sound pressure in the focused field and the focal width. The slight difference between the experimental result and theoretical result shows the viability of this method.

acousto-optical refraction; focused sound field distribution; focal width; focused ultrasound wave

2017-04-25)