一種非侵入式檢測聚焦超聲場的方法及裝置

陳韻琳 謝梓嵐 袁添文 毛冠文

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

一種非侵入式檢測聚焦超聲場的方法及裝置

陳韻琳 謝梓嵐 袁添文 毛冠文

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

介紹了一種用激光通過聲光折射法對聚焦超聲場進行非侵入式測量的方法及裝置.該方法采用一束直徑小于聲波長的平行激光束垂直入射于聚焦焦點，通過建立焦點聲壓與光線最大偏轉距離間的關系模型，即可計算出某點的聲壓.通過將激光沿聲軸線方向進行微小位置調節，利用光束在聚焦超聲場中由于介質折射率不同導致的光線折射，即可測得焦域范圍的聲壓分布以及焦斑寬度.所得實驗測量結果與理論仿真結果對比相差不大，證明此方法是可行的.

聲光折射 焦點聲場分布 焦斑寬度 超聲波聚焦

隨著醫療技術的發展，21世紀的外科手術由微創進入無創的時代，高強度聚焦超聲(HIFU)作為一種新興的無創腫瘤治療技術已經在國內外廣泛開展，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 聲場具有焦點聲壓大、聲強高等特點[1],容易損壞傳感器并降低其靈敏度，若聲波達到有限振幅波的范圍時，傳播過程中易滋生非線性諧波并出現聲飽和等現象[2],給聚焦聲場的測量帶來了很大的困難.目前,測量超聲波聚焦聲場的方法主要有輻射壓力法[3,4]、水聽器測量法、光纖檢測和光學檢測等.輻射壓力法雖然操作簡單且適用范圍廣，但其空間分辨率較低，對實驗環境要求高；水聽器測量法的頻率響應范圍寬、動態范圍大，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；光纖檢測法的空間分辨率高，響應速度快，其聲光衍射法可獲得光聲相交叉區域聲場完整的分布圖，但此方法對信號處理要求較高，且電路復雜，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超聲波聚焦焦點聲壓進行非侵入式檢測的方法.此光學方法在測量時對聲壓分布不產生干擾，且由于激光束可聚焦到微米量級[5], 因此使用激光進行測量可達到相當高的空間分辨力.通過對激光束進行掃描控制, 將能得到十分精細的超聲聚焦聲場聲壓空間分布.當一束直徑小于聲波長的平行光束直接穿過聚焦超聲焦點時，光線偏轉距離將發生變化，通過研究光線偏轉距離與焦點聲壓變化的關系，建立相應的理論模型，即可計算出焦點的峰值聲壓，進而得出聲軸線的聲壓分布.

1 測量原理

1.1 聲光折射法

聲光折射法的本質是聲光偏轉效應，即窄光束(光束寬度小于超聲波波長)穿過超聲場時，在聲場的作用下，介質的折射率將會隨時間發生周期性的變化，光束便會偏離原來的傳播方向[6].該現象首先由Lucas等觀察到并證實.我們基于該效應建立聲場測量方法，采用一束直徑小于聲波長的平行激光束射入聚焦聲場，由于介質中的聲場光線發生折射，可根據光線的偏轉軌跡計算光線的偏移量，建立其與聲壓的關系.該方法的最大特點是對光線最大偏轉量的峰值測量精確度高.在聚焦超聲情況下，由于焦點處的聲壓遠大于旁瓣處的聲壓，光線在垂直穿過焦點前后的區域內，旁瓣引起的介質折射率梯度的方向相反，光線穿過旁瓣時的偏轉近似抵消，因此偏轉只與焦點處峰值聲壓有關，便于測量，變化的參量與聲壓的關系較簡單.

1.2 焦點聲壓與光線偏轉距離的關系

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到會聚聲波的目的[7].超聲波發射器發射超聲波，通過聲透鏡會聚于一點(焦點)，形成聚焦聲場，如圖1所示，假設焦點位于原點O處，設聲波沿y軸正向傳播，光束沿z軸正向入射.

聚焦聲場中聲軸線方向的聲壓分布函數[1]為

(1)

圖1 聚焦聲場分布圖

焦平面上的聲壓服從Bessel函數分布，如圖2所示[1]，記為

(2)

式中J1(y)為一階Bessel函數分布，ks為聲波波數.

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前后區域的過程中，當光束依次經過MN和NA兩段介質時，由于這兩段內的旁瓣引起的介質折射率梯度方向相反，此時光線穿過旁瓣時的偏轉近似抵消，故可只考慮焦點附近的情況.把焦點附近的聲壓近似成拋物線分布，即

(3)

式中

因此，該模型可簡化為

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

(4)

由于焦點附近聲壓是隨時間變化的，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，焦點處聲壓梯度為

(6)

由式(6)可知，某時刻焦點處的聲壓梯度可取得最大值

(7)

根據Lorentz-Lorenz定律可知聲壓梯度與介質折射率梯度成正比關系.若光線恰好垂直穿過焦點，設α為光線在聲場中穿過L距離后的偏轉角(通常偏轉角α較小),此時光束在離焦點距離s處的屏幕上將產生一個最大偏轉距離dmax，且s?L，所以有

(8)

(9)

綜上所述，由式(7)～(9)即可得出焦點的峰值聲壓為[9]

(10)

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

當光束垂直穿過焦點時，光線偏轉距離隨不同時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，由于超聲波頻率很高，人眼或者照相機觀察不到光束的瞬間位置，而只能觀察到一幅時間平均的圖像，即展寬為2dmax的橢圓狀光斑[5].

故實驗實際測得的光束最大偏轉距離，即為光線穿過焦點時引起的最大偏轉距離，進而計算焦點峰值聲壓.根據上述測量原理，通過位移裝置，將光束沿y軸方向移動得出聲壓分布，同理，將光束沿x軸方向移動，在聚焦的一段位移內光束都將有最大偏轉，從而找出焦斑的寬度.

2 測量裝置

實驗系統如圖3所示，經驅動電路板驅動的超聲波發生器發出的超聲波通過4f鋁聲透鏡進行聚焦，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.將聲透鏡對準超聲波發生器的中心，并置于裝滿純凈水的250mm×250mm×300mm(長×寬×高)透明的長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.為了消除雜光對整個實驗的影響，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小孔，不影響光束的傳播.將氦氖激光器發出的光束調成平行光束，使光束的傳播方向與聲波的傳播方向垂直.根據聲透鏡的幾何焦距，大致調節激光的位置，使得激光光束通過聚焦聲場.在離聲透鏡焦點3m處用線性CCD攝像頭對通過焦點后的光束進行采集.線性CCD共有128個豎直排列的像素采集點，每個采集點接收的光強對應一個電壓值.開啟聲源后，光束經過聚焦聲場折射，將展寬為橢圓狀，此時光束在線性CCD所占的像素采集點增加，在電腦中表現為電壓曲線的展寬.展寬的大小即為光束的偏轉距離.偏轉距離最大處即為超聲波焦點.

圖3 實驗平臺搭建圖

3 測量結果分析

使用上述測量方法和裝置，我們對超聲波通過4f鋁聲透鏡產生的聚焦聲場分布進行了測量，得出了焦點聲軸線方向的聲壓分布曲線.為了驗證測量結果的正確性, 我們根據式(2)對上述聚焦聲場的聲壓分布進行了理論計算,得出了如圖4所示的測量結果與理論值的比較圖，可見，測量值與理論計算值比較吻合.

圖4 聚焦聲場聲軸線聲壓分布曲線

4 結論

本文提出了一種基于聲光折射對聚焦超聲焦點范圍內的聲壓進行非侵入式的量檢測，得出了聚焦聲場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，測得焦斑寬度為5.0mm.

聲光折射法具有干擾小、分辨率高的特點，這種方法能有效避免光線因發生衍射而產生的測量影響，并且由于旁瓣引起的介質折射率梯度的方向相反，光線穿過旁瓣時的偏轉能近似抵消，因此偏轉只與焦點處峰值聲壓有關，更便于測量.現有的超聲聚焦技術已在醫療方面得到了廣泛和成功的應用，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焦斑參數的測量方法能更準確地反映聚焦聲場的分布，將對超聲聚焦技術的發展起到巨大的作用.

1 周慧婷,呂朋,廖長義,等.基于聲光折射的聚焦超聲焦點聲壓檢測.光學學報,2012,32(9):67～74

2 李全義,李發琪,壽文德.高強度聚焦超聲(HIFU)的聲場檢測.世界科技研究與發展,2007,29(6):56～60

3 黃小唯,壽文德.聚焦換能器離散發射陣列的輻射力計算.聲學技術，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算與高強度聚焦超聲功率測量實驗.聲學技術，1998,17(4):145～147

5 王月兵,平自紅.高頻聚焦換能器聲場的激光測量法.應用聲學,2003,22(1):12～15

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

7 付麗媛,李發琪.高強度聚焦超聲換能器.生物醫學工程學雜志,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)