CN107644636A - 一种基于平面人工结构的超声聚焦透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于平面人工结构的超声聚焦透镜，声学软材料板，其在上下表面分别形成：圆形部，以及以所述圆形部为中心连续排列的多个同心的环形部，相邻环形部的厚度不同，并且上下表面的圆形部以及环形部以所述声学软材料板的中心水平线分别呈上下对称；以及硅胶覆盖层，其分别覆盖于声学软材料板的上下表面，使得该超声聚焦透镜具有均一的总厚度，各环形部的厚度与超声聚焦透镜的焦距相关。本发明的平面聚焦透镜可以调控声波聚焦，采用该结构，再配合平面超声探头能够产生聚焦超声声场并能精确调控聚焦深度，实现单点和深度不同的多点聚焦效果，从而实现对所作用物体的不同深度区域同时进行超声刺激，操作简单，造价低廉，使用灵活。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器领域，尤其涉及一种基于平面人工结构的超声聚焦透镜。
背景技术
近年来超声临床应用已不再局限于图像诊断，超声在肿瘤、脑疾病方面的治疗作用逐渐成为现代医学研究热点。HIFU治疗是通过高强度聚焦超声引发瞬间高热，使肿瘤组织极快地凝固性坏死，从而用于肿瘤热治疗；神经调控研究中聚焦声场可以精准刺激神经核团，有效调节神经环路，为研究帕金森、抑郁症等脑功能性的发病机制和治疗提供重要手段。因此聚焦声场对于研究超声的治疗有重要意义。
聚焦超声换能器一般都由压电晶片自聚焦。目前世界上进行超声治疗研究的实验室中，基本上都采用商用超声凹球面聚焦换能器进行相关实验研究，而每个聚焦超声换能器都有固定的焦距和焦斑，所以为了满足不同研究的需要，各实验室均需购买不同型号的商用聚焦超声换能器，经济成本较高。
聚焦超声换能器是直接产生所需要的聚焦声场，称为主动式声波聚焦。常见的换能器声波聚焦方式有凹球面自聚焦、平面阵列换能器和凹面阵列换能器。人工结构也可以实现声波调控，是因为声波遇到物体(人工结构)发生一系列波动效应，并通过反射、折射、干涉等多种相互作用，产生不同的声波效果。人工结构调控超声波聚焦，其主要应用人工结构对声波的负折射、衍射或相位调控，最终使经过人工结构后的超声波在特定区域汇聚。人工结构由于其造价低和灵活性一直受到广泛的关注。
本发明涉及一种可灵活设计的平面人工结构的超声聚焦透镜，该透镜可用于聚焦平面超声换能器的声波聚焦，从而应用于超声治疗、超声成像等技术上。该系统能够对患病动物进行精准超声刺激和不同深度同时进行刺激。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种调控声波聚焦的平面聚焦透镜，采用该结构，再配合平面超声探头能够产生聚焦超声声场并能精确调控聚焦深度和深度不同的多点聚焦效果，从而实现对所作用物体(例如患有疾病的动物)的不同深度区域同时进行超声刺激，操作简单，造价低廉，使用灵活。
本发明的一种基于平面人工结构的超声聚焦透镜，包括：声学软材料板，其在上下表面分别形成：圆形部，以及以所述圆形部为中心连续排列的多个同心的环形部，相邻环形部的厚度不同，并且上下表面的圆形部以及环形部以所述声学软材料板的中心水平线分别呈上下对称；以及硅胶覆盖层，其分别覆盖于所述声学软材料板的上下表面，使得所述超声聚焦透镜具有均一的总厚度，其中，所述各环形部的厚度与所述超声聚焦透镜的焦距相关。
优选地，所述声学软材料板为水中透声率高的声学软材料。
优选地，所述声学软材料包括环氧树脂材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乳酸(PLA)。
优选地，所述各环形部的厚度、所处位置以及所述超声聚焦透镜的焦距之间满足如下公式：
其中，是关于所述声学软材料板的环形部的厚度t变化的相位方程，是关于各环形部的中间位置r变化的相位方程，公式中所选取的位置r均为每个环形部的中间位置，λ是声波在水中的波长，λ＝2πf/c0L，f为工作频率，h是所述超声聚焦透镜的总厚度，t是每个环形部的厚度，c0L，c1L和c2L分别是水、声学软材料和硅胶的声速，F是声场聚焦的焦距。
优选地，由公式⑴可计算出随着各环形部的厚度变化的超声波相位，由公式⑵可计算出沿着超声聚焦透镜平面方向的超声波相位，则由公式(2)计算出超声聚焦透镜的位置r处的相位然后带入公式(1)，即可得到位置r处的声学软材料板的环形部的厚度t。
优选地，所述超声聚焦透镜包括单点聚焦的平面超声聚焦透镜以及多点聚焦的平面超声聚焦透镜。
优选地，所述多点聚焦的平面超声聚焦透镜由多个区域的环形部构成，各区域的环形部分别形成不同的焦点。
优选地，所述多个区域包括中心区域和一个以上边缘区域，中心区域的环形部形成近的焦点，边缘区域形成远的焦点。
优选地，在工作频率f为0.62MHz的情况下，所述各环形部的厚度范围为0.4～2.8mm，取值区间为0.001mm以下，所述超声聚焦透镜的总厚度为3mm。
优选地，所述各环形部的位置r的范围根据入射波宽度而定。
有益效果
本发明的基于平面人工结构的超声聚焦透镜可灵活设计。该透镜可用于平面超声换能器的声波聚焦，从而应用于超声治疗、超声成像等技术，能够对患病动物进行精准超声刺激和不同深度同时进行刺激。
附图说明
图1是本发明的超声聚焦透镜的声学软材料板的平面结构示意图。
图2是本发明的单焦点超声聚焦透镜的沿图1的虚线的横截面图。
图3是本发明的双焦点超声聚焦透镜的沿图1的虚线的横截面图。
图4是本发明的单焦点超声聚焦透镜的工作原理示意图。
图5是本发明的多焦点超声聚焦透镜的工作原理示意图。
具体实施方式
在下列说明中，为了提供对本发明的彻底了解而提出许多具体细节。本发明可在不具有部分或所有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了不对本发明造成不必要的混淆，不详述众所周知的过程操作。虽然本发明将结合具体实施例来进行说明，但应当理解的是，这并非旨在将本发明限制于这些实施例。
下面结合图1～3来说明本发明的基于平面人工结构的超声聚焦透镜的具体结构。本发明的超声聚焦透镜包括声学软材料板1和硅胶2，是由两者形成的复合结构。声学软材料板1为水中透声率高的声学软材料，包括环氧树脂材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乳酸(PLA)等。本实施例中采用环氧树脂材料。其中，声学软材料板(环氧树脂板)1，其在上下表面分别形成：圆形部11，以及以所述圆形部11为中心连续排列的多个同心的环形部12。相邻环形部12的厚度不同，并且上下表面的圆形部11以及环形部12以环氧树脂板1的中心水平线A分别呈上下对称。硅胶覆盖层2，其分别覆盖于环氧树脂板1的上下表面，使得复合结构的超声聚焦透镜具有均一的总厚度。
如上所述，本发明的平面聚焦透镜是由两种不同材料组合而成的复合结构，包括具有不同厚度的环形部的环氧树脂和硅胶。环氧树脂和硅胶的复合材料结构可有效调控相位变化，环氧树脂板的环形部的厚度不同，对应的相位也不相同。经过聚焦公式计算，可以灵活方便地根据实际需求来调整环氧树脂板的环形部厚度，并将液态硅胶灌入环形部，使之成为特定厚度的平面超声聚焦透镜，可以实现平面波单点聚焦效果或深度不同的多点聚焦效果。
下面详细说明本发明的超声聚焦透镜的环氧树脂板1的环形部12的特征。本发明中，为了实现对超声波进行特定的聚焦深度(焦距)，所述环形部12的厚度、所处位置以及所述超声聚焦透镜的焦距之间满足如下公式：
其中，是关于环氧树脂板的各环形部的厚度t变化的相位方程，是关于各环形部的中间位置r变化的相位方程，公式中所选取的位置r均为每个环形部的中间位置，λ是超声波在水中的波长，λ＝2πf/c0L(f是工作频率)，h是所述超声聚焦透镜的总厚度，t是每个环形部的厚度，c0L，c1L和c2L分别是水、环氧树脂材料和硅胶的声速，F是声场聚焦的焦距。具体地，c0L＝1490m/s，c1L＝2700m/s和c2L＝980m/s。
由上述公式⑴可以计算出随着环形部的厚度变化的超声波相位，由公式⑵可以计算出沿着超声聚焦透镜平面方向的超声波相位，结合公式⑴和公式⑵，可以得出环氧树脂板的不同位置r处的所述环形部的厚度t。也就是说，由公式(2)计算出超声聚焦透镜的位置r处的相位然后带入公式(1)，即可得到位置r处的环氧树脂板的环形部的厚度t。
下面通过具体的实施例来说明如何确定环氧树脂板的各环形部的厚度t以及各环形部所在的位置r(r也即环形部的半径－环形部的半宽度)。例如，假设超声聚焦透镜的总厚度设计为3mm。首先，取环氧树脂板的各环形部的厚度t从0.4mm到2.8mm变化(t的取值区间可以为0.001mm，或者小于0.001mm，可以获得更精确的效果)，将此区间内的多个数值t(0.4001mm，0.4002mm……)带入公式(1)，得出一组超声相位值；然后，将焦距F(假设需要的焦距为15mm)带入公式(2)，再取r从0mm到21mm变化(r的取值间隔可以为3mm，即环形部的宽度为3mm)，得出另一组超声相位值；将公式(1)计算的相位值与公式(2)计算的相位值对比，找出相同的相位值，则此相位值所对应的厚度t和位置r就是某一环氧树脂环形部的厚度和所处位置，此处工作频率f取0.62MHz。另外，圆形部可以看作是特殊的环形部，其位置r为0，厚度也通过上述公式计算获得。环形部的数量(即各环形部宽度之和或r的取值范围)则一般视入射波宽度而定，如果入射波宽度较宽，则可增加环形部数量，各环形部宽度之和随之增大，如果入射波宽度较小，则可减少环形部数量，各环形部宽度之和随之减小。
如上所述，可以基于对超声波进行聚焦所需要的焦距F来确定环氧树脂板1的各环形部12的厚度，并确定其位置，从而确定超声聚焦透镜的具体结构。即，基于一个所需要的特定焦距F，可以形成相应的单焦点超声聚焦透镜。
如上所述，在一个较佳的实施例中，工作频率f取0.62MHz的情况下，各环形部的厚度范围为0.4～2.8mm，环形部的宽度为3mm，超声聚焦透镜的总厚度为3mm。在工作频率取更高或更低的频率的情况下，各环形部的厚度范围也会相应变化。另外，在上述实施例中，环形部的宽度是相同的，但在其他实施例中，环形部的宽度也可以是不同的，例如靠近圆形部的环形部宽度较小，远离圆形部的环形部宽度较大。实际中，圆形部、环形部的厚度、环形部的所处位置(或环形部半径)和环形部的宽度是经过优化的，但不是一定的。优化即是通过模拟计算得出聚焦效果最佳的数值。
本发明的超声聚焦透镜可以包括单点聚焦的平面超声聚焦透镜以及多点聚焦的平面超声聚焦透镜。所述多点聚焦的平面超声聚焦透镜由多个区域的环形部构成，各区域的环形部可以分别形成不同的焦点(即不同的焦距)。具体来说，本发明的多焦点聚焦透镜可以这样进行设计，以双焦点为例：先根据需要的焦距形成两个单焦点超声聚焦透镜，再将两个不同焦距的超声聚焦透镜，对焦距短的超声透镜环氧树脂板的中心区域的数个环形部保持不变，边缘区域的数个环形部替换成焦距较远的单焦点超声聚焦透镜的环氧树脂板的数个环形部，灌入硅胶即可形成双点聚焦的平面超声聚焦透镜。
下面结合图4说明本发明的单焦点超声聚焦透镜的工作原理示意图。图4中，①表示超声平面换能器；②表示本发明的单焦点聚焦透镜；③表示焦点。图中黑色粗箭头表示超声波传播方向。如图4所示，本发明提供的平面单点聚焦透镜与平面超声换能器配合使用，可以将平面超声换能器发射的平面波经过平面聚焦透镜聚集到某个特定的区域，聚焦深度精确可调。
下面结合图说明本发明的多焦点超声聚焦透镜的工作原理示意图。图5中，①表示超声平面换能器；②表示本发明的多焦点聚焦透镜；③表示第一个焦点，④表示第二个焦点。图中黑色粗箭头表示超声波传播方向。如图5所示，本发明提供的平面多点聚焦透镜与平面超声换能器配合使用，可以将平面超声换能器发射的平面波经过平面聚焦透镜聚集到多个特定的区域(图5示出两个特定区域，即两个焦点)，聚焦深度精确可调。
显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (10)
1.一种基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，包括：
声学软材料板，其在上下表面分别形成：圆形部，以及以所述圆形部为中心连续排列的多个同心的环形部，相邻环形部的厚度不同，并且上下表面的圆形部以及环形部以所述声学软材料板的中心水平线分别呈上下对称；以及
硅胶覆盖层，其分别覆盖于所述声学软材料板的上下表面，使得所述超声聚焦透镜具有均一的总厚度,
其中，所述各环形部的厚度与所述超声聚焦透镜的焦距相关。
2.根据权利要求1所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，所述声学软材料板为水中透声率高的声学软材料。
3.根据权利要求2所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，所述声学软材料包括环氧树脂材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乳酸(PLA)。
4.根据权利要求1所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，所述各环形部的厚度、所处位置以及所述超声聚焦透镜的焦距之间满足如下公式：
其中，是关于所述声学软材料板的环形部的厚度t变化的相位方程，是关于各环形部的中间位置r变化的相位方程，公式中所选取的位置r均为每个环形部的中间位置，λ是声波在水中的波长，λ＝2πf/c0L，f为工作频率，h是所述超声聚焦透镜的总厚度，t是每个环形部的厚度，c0L，c1L和c2L分别是水、声学软材料和硅胶的声速，F是声场聚焦的焦距。
5.根据权利要求4所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，由公式⑴可计算出随着各环形部的厚度变化的超声波相位，由公式⑵可计算出沿着超声聚焦透镜平面方向的超声波相位，则由公式(2)计算出超声聚焦透镜的位置r处的相位然后带入公式(1)，即可得到位置r处的声学软材料板的环形部的厚度t。
6.根据权利要求1所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，所述超声聚焦透镜包括单点聚焦的平面超声聚焦透镜以及多点聚焦的平面超声聚焦透镜。
7.根据权利要求6所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，所述多点聚焦的平面超声聚焦透镜由多个区域的环形部构成，各区域的环形部分别形成不同的焦点。
8.根据权利要求7所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，所述多个区域包括中心区域和一个以上边缘区域，中心区域的环形部形成近的焦点，边缘区域形成远的焦点。
9.根据权利要求1所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，在工作频率f为0.62MHz的情况下，所述各环形部的厚度范围为0.4～2.8mm，取值区间为0.001mm以下，所述超声聚焦透镜的总厚度为3mm。
10.根据权利要求1所述的基于平面人工结构的超声聚焦透镜，其特征在于，所述各环形部的位置r的范围根据入射波宽度而定。
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