CN108463778A - 用于在物体中产生全息超声场的设备和方法 - Google Patents

用于在物体中产生全息超声场的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种超声设备(100)，其用于产生全息超声场(1)，所述超声设备包括：超声源装置(10)，所述超声源装置适用于产生超声波；以及透射全息图装置(20)，所述透射全息图装置具有透射全息图(21)和露出的声发射器表面(22)，所述透射全息图装置(20)与所述超声源装置(10)耦接，并且被布置成用于使所述超声波透射穿过所述声发射器表面(22)，并且在周围空间中产生全息超声场，其中所述声发射器表面(22)是光滑表面。此外，描述了一种利用超声设备(100)在物体(3)中产生全息超声场的方法，以及超声设备(100)的应用。

Description

用于在物体中产生全息超声场的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种被配置成用于在物体中产生全息超声场的超声设备。此外，本发明涉及一种在物体中产生全息超声场的方法。本发明可应用于利用超声处理物体、基于超声的能量传输和/或超声成像，特别是医学工程的领域中。
背景技术
为描述本发明的背景，特别参考以下文献：
[1]A.Meyer等的“Journal of Applied Physics”，96(10):5886-5891(2004)；
[2]US 8,696,164B2；
[3]M.Molerón等的“Applied Physics Letters”，105(11):114109(2014)；
[4]Y.Hertzberg等的“Medical Physics”38(12):6407-6415(2011)；
[5]WO 2013/108152A1；
[6]US 2003/145864A1；
[7]G.Fleury等的“Ultrasonics symposium(IUS)”，2010IEEE，2010年10月11日，876–885页；
[8]US 2005/277824A1；和
[9]欧洲专利申请No.14004333.2(本说明书的优先权日前未公开)。
在医学工程(例如基于超声的热疗或手术)和工业技术中的各种处理中公知采用超声向物体中的目标区段进行无接触的能量传输。通常，需要具有空间结构的超声场用于目标区段的高效辐射，其可以局部受限或可变。实用的方法使用具有固定的点或线形聚焦的可移动声发射器或具有可控焦点的相控阵源。可移动声发射器具有精确度和相对于物体的可重现的调整方面的缺点。在相控阵源中，每个像素均是需要特定的电子控制的单独的声发射器。这导致了在像素数量增加的同时的复杂性的大幅增加(特别是成本、尺寸、软件需求)，所述数量通常例如为128或256。
如Meyer等人在文献[1]中所述，通过光声全息术可以获得空间结构化的超声场，其中使用强激光源来激发光吸收表面的单独的点。在文献[2]中描述了另一个用于机械波的激光-光学生成的装置。虽然这些方法提供了高的局部分辨率和动态声场，但是它们具有在复杂性以及由复杂的光学设置导致的受限的效率方面的缺点。此外，文献[1]的方法不适于连续的操作，并且即使对于产生限制在每个单独的点8kPa的低超声压也需要高激光强度。
M.Molerón等在文献[3]中描述了一种菲涅耳声透镜，其具有使用小于波长的特征的非常好的声音传输性。菲涅耳声透镜的应用仅限于将声波聚焦到单聚焦点。Y.Hertzberg等在文献[4]、[5]中建议在医疗应用中使用声学全息图绕过聚焦超声中的吸收物体。利用具有986个像素的相控阵源产生声学全息图。该大量的像素引起了电子控制的高复杂性以及每个像素的相位可调节性达到π/4级的限制性。
在文献[6]中公开了通过使用超声换能器的组合来产生全息超声场的超声设备。这种技术在复杂性方面具有缺点，因为每个图像元素(像素)都需要一个发射器，并且阵列内的所有发射器都必须单独控制。可以在文献[7]和[8]中找到产生超声场的其它背景。
空间结构化超声场的另一个应用可用于3D快速成型领域[9]。用透射全息图产生的全息超声场用于在液体浴中的前体材料上施加声学力。得到的材料分布经受固定过程。文献[9]的技术适用于在液体浴中产生全息超声场。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于产生空间结构化的超声场的改进的超声设备和改进的方法，其中避免了传统技术的缺点和限制。特别地，超声设备和方法将能够提供空间结构化超声场的另外的实际应用并且以减小的装置和控制复杂度产生全息超声场。
根据本发明的第一方面，上述目的通过如下解决：一种超声设备，被构造成用于产生至少一个全息超声场并包括：超声源装置，所述超声源装置适用于产生初级超声波；以及透射全息装置，其布置为与超声源装置声学接触，使得初级超声波能够穿过投射全息装置传播，从而产生二级超声波，其在周围空间中、例如在邻近的物体中产生所述至少一个全息超声场。超声源装置包括至少一个超声源元件(换能器元件)，其能够响应驱动信号(驱动电流)发出初级超声波。透射全息图装置包括透射全息图和面向周围环境的露出的声发射器表面。优选地，透射全息图是结构化的、稳定的部件，其提供初级超声波的无源、静态的变型。有利地，这使得能够利用主超声源装置提供充足的声强。此外，这使得能够实现非常明确限定的超声场，而无需复杂的相控阵源。透射全息图的复杂度仅受制造方法的限制。一旦制成，100×100像素的全息图不需要比500×500像素全息图更少或更多的控制。
根据本发明，超声设备的声发射器表面是光滑表面。依据二级超声波的波前的形状和/或待处理的物体的表面的几何形状，声发射器表面是平面或曲面。术语“光滑表面”指的是非结构化的外表面(无台阶表面)，特别是能够透射超声而不改变超声的径向相位和/或幅度分布的表面。换言之，术语“光滑表面”不需要是理想的无台阶表面，而是可以包括不影响超声的径向场分布(或仅以可忽略的方式影响它)的形貌特征。这与全息表面形成对比，全息表面不是光滑的表面。通常，声发射器表面的表面粗糙度被减小为使得空隙(例如空气或杂质囊)在超声设备和邻近的物体之间的界面处被最小化或排除。
与传统技术相比，超声设备具有以下实质优点。首先，避免了文献[4、5、6、8]中提到的控制超声源元件的相控阵的复杂性。此外，与文献[3]相反，由于透射全息图能够例如在待照射的物体中形成具有在超声波频率范围内待施加的任何特定的场分布的全息超声场，所以代替聚焦声透镜的透射全息图的应用提供了超声设备的新应用。
此外，平滑的声发射器表面使得超声设备能够在实际环境中应用，例如，由医师将全息超声场应用于患者。有利地，声发射器表面使得能够克服例如根据文献[3]或[6]的传统设备的在液体浴中操作的需要。声发射器表面提供与待处理物体的表面的直接无失真接触。此外，发射器表面的光滑外形避免了可能会损坏全息超声场的污染物的粘附，并且有助于任何清洁操作。如果超声设备要与附加的声耦合层、例如从传统超声应用已知的凝胶层一起使用，则避免了在声发射器表面产生任何意外的气泡。
根据本发明，透射全息图用于以简单的且节约成本的方式使声场结构化。这样的全息图提供高分辨率、例如至少512x 512“像素”的大范围(高达几十厘米)的波前操纵。因此即使使用单个压电式换能器也可以产生任意的压力分布。与复杂的换能器阵列相比，全息图更简单、便宜并且更容易操作。
根据本发明的第二基本方面，上述目的通过一种在物体中产生全息超声场的方法来解决，其中使用根据本发明上述第一方面的超声设备。超声设备被布置为与物体进行声学接触(声波接触)并且被操作为使得在物体中产生全息超声场。根据透射全息图的声学相位和/或幅度结构产生全息超声场。
有利地，超声设备的超声源装置包括至少一个超声源元件，例如从传统的超声应用中已知的至少一个压电元件。根据本发明的优选实施例，超声源装置包括单超声源元件和超声源元件阵列、特别是超声源元件的相控阵列中的至少一者。根据第一变型，单超声源元件可以用于产生初级超声波，其穿过透射全息图传播。使用单超声源元件在超声源装置的简单装置结构和简单控制方面是有利的。根据第二变型，设置超声源元件阵列(至少两个超声源元件)。这对于附加地使待产生的初级超声波和全息超声场成形是有利的，同时避免了高分辨率阵列及其控制的限制。根据第三变型，可以设置单超声源元件和超声源元件阵列二者。由于所述至少一个超声源元件的已知特征及其控制，所以初级超声波具有预知的波前。优选地，初级超声波具有处于非可听频率范围、特别是超声波频率范围内的频率。特别优选的是，声波具有至少20kHz、特别是至少40kHz的频率、高达GHz的范围。
优选地，超声源装置适于产生初级超声波，使得初级超声波是平面超声波(包括平面波或近似于平面波的波)。利用该实施例，由超声源装置初始发射的初级超声波具有均匀的径向相位分布(垂直于波束传播方向的相位分布)。有利地，这有助于透射全息图的设计。平面初级超声波优选为连续波。
替代地，超声源装置可以适于产生超声波，使得超声波是弯曲的、特别是抛物面或球面的超声波。利用该实施例，能够获得聚焦全息超声场的优势。抛物面或球面的初级超声波优选是脉冲形的波，例如由单个声振荡或一组声振荡组成。
然而，本发明不限于使用平面、抛物面或球面波。如果使用由超声源装置初始产生的其它波前形状，则可以相应地调整投射全息图的结构。
根据超声设备的其它优选特征，透射全息图装置、特别优选的是透射全息图装置的透射全息图具有平坦的外形。这有助于透射全息图的设计以及以高重现性和精确度产生全息超声场。如果例如包括至少一个平面超声源元件的超声波源装置适于产生平面超声波，则优选地设置平面透射全息图。优选地，具有平坦的透射全息图的透射全息图装置具有平面声发射器表面。
替代地，透射全息图装置、特别优选的是透射全息图装置的透射全息图具有弯曲的、特别是抛物面或球面的外形。如果超声源装置适于产生弯曲的、特别是抛物面或球面超声波，则优选提供该实施例。在这种情况下，超声源装置包括沿着弯曲的表面布置的至少一个弯曲超声源元件或多个平面超声源元件。优选地，具有弯曲透射全息图的透射全息图装置具有弯曲的声发射器表面，所述声发射器表面曲率与透射全息图的曲率匹配。
另外，声发射器表面的形状可以与待处理的物体的表面的几何形状匹配。特别地，平坦的透射全息图可以与弯曲的声发射器表面组合，或者弯曲透射全息图可以与平坦的声发射器表面组合。
透射全息图是结构化的部件，其能够与初级超声波的预知的波前相互作用，使得波前的相位和/或幅度被透射全息图的结构特定地改变。为此，透射全息图具有相对于初级超声波的传播方向(轴向方向)垂直(在径向方向上)延伸的全息相位结构。每个改变的相位和/或幅度为二级超声波的后续衍射提供子波贡献。相互干涉的声学子波由透射全息图产生。从而，透射全息图如光学全息术中的全息板或投影光学中的衍射光学元件一样使用。在初级超声波的波前与透射全息图相互作用之后，通过二级超声波的衍射和自干扰，即通过子波在邻近物体中的至少一个焦平面中的干涉，产生要获得的全息超声波场。自干涉产生要获得的全息超声场的强度分布。
透射全息图由具有与周围材料的声阻抗不同的声阻抗的材料制成。从而，透射全息图的全息图相位结构沿其径向分布向初级超声波施加相位和/或幅度偏移。优选地，透射全息图由塑料材料形成，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、更易延展的聚合物如聚甲基戊烯(PMP)、环氧树脂或硅橡胶。PS、PMMA具有较低的衰减，而PMP具有与生物组织更好匹配的声阻抗。环氧树脂和有机硅的声阻抗可以使用填料颗粒在宽范围内调整。
透射全息图被形成(结构化和/或成形)为使得其匹配初级超声波的波前形状和要获得的全息超声场。有利地，本发明的各种实施例可用于形成透射全息图，特别是用于获得用于形成全息图相位结构的结构数据。根据第一变型，可以依据待产生的全息超声场和初级超声波的径向相位和幅度分布，通过求解逆衍射问题获得结构数据。根据第二变型，依据待产生的全息超声场以及初级超声波的径向相位和幅度分布，透射全息图可以形成为使用误差减少算法、如Gerchberg-Saxton算法或迭代角谱方法通过数值近似形成的相位全息图。可以应用误差减少算法，因为它从光学上已知，并且计算能够容易地适用于声学。
有利地，透射全息图可以使用所计算的全息图相位结构通过使用例如3D打印方法这样的快速成型方法来制造。这在高分辨率(例如50μm)、高速且便宜的制造以及数字材料组合的能力方面具有优势。
透射全息图的全息图相位结构优选由其全息表面的形状确定，例如由透射全息图材料与嵌入材料之间的界面来确定。例如，全息图相位结构从透射全息图的可变厚度产生，ΔΦ(r)＝2πf(1/cm-1/ch)ΔT(r)，其中ΔΦ是径向相位偏移，ΔT是相对厚度差，f是频率，r是径向方向上的坐标，并且cm、ch分别是嵌入材料和透射全息图中的声速、根据本发明的优选实施例，透射全息图布置成使得全息表面面对声发射器表面。利用该实施例，透射全息图装置包括布置在透射全息图的全息表面上并提供声发射器表面的声波耦合层。声波耦合层与全息表面固定地耦接，从而保护全息表面的全息相位结构免受环境影响。此外，声波耦合层提供与被照射物体的平滑且无间隙的接触。
特别优选的是，声波耦合层包括覆盖全息表面的嵌入材料。嵌入材料具有与透射全息图的声阻抗不同的声阻抗。嵌入材料对于获得全息图相位结构以及使阻抗匹配于待处理的物体是有利的。与透射全息图的可变表面相反，声发射器表面是光滑表面。
此外优选的是，透射全息图是固体部件，而声波耦合层的嵌入材料可以由固态的或液态的、包括凝胶状的物质组成。在优选的示例中，嵌入材料包括非挥发性的无毒溶剂、如甘油，或超声凝胶、例如包括甘油和丙二醇的混合物。优选地，嵌入材料的声阻抗与待处理的物体的声阻抗匹配。
根据本发明的另一优选特征，声波耦合层可以包括覆盖嵌入材料并且提供声发射器表面的盖板。优选地，盖板特别提供了特别用于可流动的、例如凝胶状的嵌入材料的包壳。有利地，盖板可以是柔性的以适应待处理物体的轮廓。
透射全息图装置可以固定地与超声源装置耦接。利用该实施例，在透射全息图相对于超声源装置的固定的轴向定向以及透射全息图与超声源装置的声波耦接方面是有利的。
替代地，根据本发明的特别优选的变型，透射全息图装置可拆卸地与超声源装置耦接，使得可以获得用于使超声设备适应特定应用任务的优点。透射全息图装置被设置为可替换的构件。特别地，透射全息图装置可适用于特定的照射功能和/或特定的待照射的物体。在特别优选的示例中，透射全息图装置可以是个性化的，即透射全息图的全息图相位结构可以依据照射特定个体、例如病人的要求来配置。
优选地，透射全息图装置设置有至少一个识别装置，使得特别是对于使用可拆卸地耦接的透射全息图装置方面获得了优点。所述至少一个识别装置优选地包括至少一个光学可读的标记、例如文本信息或光学可读代码，以及电子识别单元、例如RFID传感器。有利地，利用所述至少一个识别装置避免了在使用适当的透射全息图装置方面的错误。
基于特定的超声输入、例如用超声源装置产生的初级超声波的特征波前，形成透射全息图。因此，期望透射全息图具有适当的定向，特别是围绕波束轴的适当旋转，即，相对于初级超声波的传播方向的轴向定向。另外，如果超声设备具有将特定全息图像或波束轨迹投射到物体中的功能，则透射全息图的定向(围绕波束轴的旋转)也将是重要的。此外，如果声发射器表面以及特别是声波耦合层是光学透明的，则透射全息图的全息图表面对于人类用户来说看起来是随机的。这使得很难通过考虑透射全息图来找到适当的定向。因此，根据本发明的另一有利实施例，超声源装置和透射全息图装置中的至少一个设置有至少一个对准元件。对准元件包括使得透射全息图装置相对于超声源装置具有适当几何定向的可见标记和几何结构中的至少一者。有利地，对准元件提高了产生全息超声场的精度和再现性。此外，所述至少一个标准元件使得能够支持透射全息图装置相对于超声源装置和/或待照射物体的正确定向。
优选地，所述至少一个对准元件被配置为使得透射全息图装置只能正确地安装至超声源装置。在优选的示例中，所述至少一个对准元件包括突出结构、例如销，所述突出结构优选地布置在透射全息图装置的位于透射全息图之外的边缘部中。
根据本发明的另一优选实施例，超声设备设置有电源装置和波形生成器。电源装置适用于向超声源装置供应驱动电流。电源装置由波形生成器控制，所述波形生成器适用于控制驱动电流的幅度波形。根据本发明的有利实施例，波形生成器和电源装置适用于驱动超声源装置，使得初级超声波是连续波或脉冲波。
与传统技术相反，本发明的超声设备优选地适用于液体浴之外的应用，例如在气体中、特别是大气环境中。因此，根据本发明的另一实施例，超声设备优选地设置有支撑装置，所述支撑装置与超声源装置耦接。根据本发明的优选应用，支撑装置包括把手、探头和内窥镜装置中的至少一者。
本发明的另一个优点通过在待照射物体中产生的全息超声场的多种应用而获得。根据第一示例，全息超声场适用于在物体中产生至少一个超声焦点。根据替代示例，可以在物体中产生至少一个超声图像，例如，用于照射或移动物体中的异物。当全息超声场产生为与超声设备间隔开时，透射全息图可以被配置成使得物体内的预定范围可以被超声波、特别是待产生的全息超声场绕过。
此外，全息超声场可以用于物体的超声成像和/或向物体中的基于超声波的能量传输。
本发明优选的医疗应用可用于疼痛治疗、高强度聚焦超声疗法、生物组织治疗和/或破坏肾或膀胱结石的领域。
附图说明
下面参考附图描述本发明的另外的细节和优点，其中示出：
图1：本发明的超声设备的一实施例的示意图；
图2：超声设备的另外的细节以及全息超声场的产生的示图；
图3、4：根据本发明的另外的示例的超声设备的剖视图；以及
图5至7：透射全息图和全息超声场的实际产生的示图。
具体实施方式
在下文中，示例性地参照适于医疗应用的超声设备，描述本发明的优选实施例。需要强调的是，本发明的应用不限于医疗应用，而是可以用于其他应用，如在材料加工或材料的非破坏性勘测领域。此外，还参照超声设备的实施例，其中超声源装置包括一个单平面超声源元件，透射全息图具有平面形状。本发明可以以相应的方式用弯曲超声源元件、超声源元件的平面或弯曲阵列和/或具有弯曲形状的透射全息图来实现。
附图仅代表示意性图示。在实际的实现中，提供电力供应和控制单元用于操作超声源装置。特别地，提供控制单元用于向声源的振荡器施加操作电压，从而限定由超声源装置发射的主声波的幅度、频率和相位。
根据图1，本发明的超声设备100的第一实施例包括超声源装置10、透射全息图装置20和控制装置30。图1A以示意性剖视图示示出这些构件，而图1B示出透射全息图装置20的露出的发射器侧的平面图。
超声源装置10包括单超声源元件11，其在外壳12中布置在支承板13上。在图1的实施例中，支承板13是外壳12的侧壁。单超声元件11例如经由胶连接层与支承板13声波接触。超声源装置10设置有连接缆线14，所述连接缆线14将控制装置30与超声源元件11耦接。单超声源元件11例如是压电板，特别是由PZT-8制成的市售的换能器板，例如，直径为50mm，厚度为1mm。
透射全息图装置20包括透射全息图21，其中透射全息图21的第一连续基体侧与支承板13声波接触，透射全息图21的具有结构化的全息表面23的第二相反侧背离超声源装置10(见图3和4中的进一步的细节)。透射全息图21例如由PMMA制成。为了改善支承板13与透射全息图21之间的声波接触，可以在其间设置例如由凝胶制成的另外的声波耦合层。
根据本发明，全息表面23不暴露于周围环境，而是被声波耦合层24覆盖，所述声波耦合层24提供了透射全息图装置20的露出的声发射器表面22。声波耦合层24由单层的嵌入材料25形成，所述嵌入材料25完全覆盖全息表面23并且具有与全息表面23相反的光滑的声发射器表面22。嵌入材料25由与透射全息图21相比声阻抗不同的物质、例如甘油或硅树脂构成。
利用透明的声波耦合层24，声发射器表面22(图1B)的平面图示出了由边缘29围绕的全息表面23。对准元件27和识别装置28设置在边缘29处。对准元件27包括在与声发射器侧相反的后侧上突出并与超声源装置10的外壳12中的三个接收部匹配的三个销。同时，销提供用于透射全息图装置20与超声源装置10的可拆卸的连接的连接结构。
控制装置30包括电源装置31，该电源装置31适于产生经由连接缆线14供应到单超声源元件11的驱动电流。此外，控制装置30包括波形生成器32，所述波形生成器32控制驱动电流的幅度波形，使得利用单超声源元件11产生的初级超声波2(参见图2)具有例如连续的或脉冲形的时间特性。
超声设备100、特别是构件10和20的形状和尺寸根据其特定应用来选择。对于药物中的优选应用，构件10、20具有例如具有圆形声发射器表面22的柱形形状，其具有例如1cm至10cm的直径。
图2示意性地示出超声设备100的被构造为手持装置的另一实施例。超声设备100设置有支撑装置40，所述支撑装置40与超声源装置10连接并且包括把手41。本发明的该实施例适于手动使用，以便在物体3中建立全息声场1，物体3例如为待照射的病人的身体。
超声源装置10具有容纳超声源元件11并经由连接缆线14与控制装置(未示出)连接的锥形外壳12。透射全息图设备20与超声源装置10可拆卸地耦接。具有示意性地示出的全息表面23的透射全息图21被声波耦合层24覆盖。声波耦合层24提供与例如病人的表层皮肤这样的物体的外表面3.1直接接触的声发射器表面22。超声设备100适用于在物体3的大气环境中使用，例如在空气中使用。
图2中的物体3的剖视图示出了本发明的一个示例，其中全息声场1将在障碍物3.3后方的目标区域3.2中产生。利用超声源元件11产生的初级超声波通过透射全息图21经受相位和/或幅度变化。透射全息图21设计为使得穿过透射全息图21传播的超声具有覆盖障碍物3.3的低强度区域，而超声波的能量集中到目标区域3.2。因此，在医疗应用中，例如，对于目标区域3.2中的前列腺组织的照射，障碍物区域3.3中的任何器官都可以受到保护。
在本发明的替代实施例中，支撑装置40可以由依据超声设备100的应用而选择的另外的支承件提供。在优选示例中，超声设备可以集成到内窥镜装置，特别是安装在内窥镜轴的远端处。在另一示例中，超声设备100可以布置在探头上，例如用于器官的超声治疗。
图3和4参照超声源装置10(部分示出)和透射全息图装置20的剖视示意图示出了本发明的另外的优选特征。
超声源装置10包括与支承板13声学耦接的单超声源元件11。透射全息图装置20包括具有全息表面23的透射全息图21和声波耦合层24，所述声波耦合层24包括嵌入材料25和盖板26。盖板26的露出的表面提供了光滑的声发射器表面22。透射全息图装置20具有用于与超声源装置10耦接的边缘29部分。
响应于驱动电流4到超声源元件11的供应，发射初级超声波，所述初级超声波穿过透射全息图21传播。初级超声波的相位和/或幅度的径向分布由透射全息图21修改，特别是由全息表面23、即透射全息图21的材料与嵌入材料25之间的界面修改。全息表面23设计为使得在周围、例如在待照射的物体中产生预定的全息声场1(见图4)。
优选地，透射全息图21由固体材料、例如PMMA制成，而嵌入材料25是固体物质、例如硅橡胶，或者是液体物质、例如甘油。或者，嵌入材料25可以包含固体物质，透射全息图21可以包含液体物质。
盖板26是例如由硅橡胶制成的膜。膜是柔性的柔软构件，其提供柔顺表面并且密封透射全息图21和嵌入材料25。此外，盖板26的声发射器表面22提供无气泡、无污物的组件和与物体3的声学接触。
为了改善与物体3的声学接触，可以在物体3的外表面3.1与声发射器表面22之间设置液体耦合层50。液体耦合层50包括例如超声凝胶。
图5示意性地示出利用透射全息图设备20的透射全息图21产生全息声场1。透射全息图21的全息表面23设计为使得在透射全息图21的焦平面中产生预定的超声图像1.1。在本发明的替代实施例中，透射全息图21可以具有多个焦平面，使得能够在相对于透射全息图21的不同轴距处产生相同或不同的超声图像。
为了产生透射全息图，待产生的全息声场、例如焦平面中的超声图像1.1，以及初级超声波、例如近似平面波的径向相位和幅度分布，被用作迭代计算相位全息图的输入。使用例如Gerchberg-Saxton算法的误差减少算法来计算相位全息图。图6示意性地示出了在应用Gerchberg-Saxton算法的20次迭代之后透射全息图21的相位分布。在各个迭代中，声波在透射全息图的平面和焦平面之间的传播被建模，其中，焦平面中的压力分布被用作边界条件。根据透射全息图21和嵌入材料25的材料参数，相位分布被转换为全息表面(见例如图4)。根据算得的全息表面，可以例如利用3D打印方法打印具有全息图相位结构的透射全息图。
如上所述，打印的透射全息图布置在超声装置上，以用于产生超声图像1.1(图5)。作为示例，图7示出测得的与透射全息图距离1cm的焦平面中的声压分布。该分布是用水听器测量的。超声源元件的电功率约为1.5W，平均声压约为约25kPa。
本发明的另一个应用是到例如在病人的身体中的植入构件的无接触能量传输。已知植入构件移动通过身体，其中即使距离身体表面的距离或相对于身体表面的定向的微小变化也会降低能量传输的效率。通过使全息超声场适应例如通过超声成像测量的植入部件的当前位置，通过将焦点简单地调整成适于植入部件的当前位置和定向，可以提高能量传输的效率。
在以上的说明书、附图和权利要求中公开的本发明的特征对于以本发明的不同实施例单独地或组合地或以子组合实现本发明同样重要。

Claims (18)

1.一种超声设备(100)，其构造成用于产生全息超声场(1)，所述超声设备包括：
-超声源装置(10)，所述超声源装置适用于产生超声波(2)；以及
-透射全息图装置(20)，所述透射全息图装置具有透射全息图(21)和露出的声发射器表面(22)，所述透射全息图装置(20)与所述超声源装置(10)耦接，并且被布置成用于使所述超声波(2)透射穿过所述声发射器表面(22)以及在周围空间中产生全息超声场(1)，其中
-所述声发射器表面(22)是光滑表面。
2.根据权利要求1所述的超声设备，其中
-所述超声源装置(10)包括单超声源元件(11)和超声源元件阵列中的至少一者。
3.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-所述超声源装置(10)适用于产生平面的或弯曲的、特别是抛物面或球面的超声波(2)。
4.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-所述透射全息图(21)具有平面的或弯曲的、特别是抛物面或球面的形状。
5.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-通过依据待产生的全息超声场(1)求解逆衍射问题来形成所述透射全息图(21)。
6.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-透射全息图(21)是依据待产生的全息超声场(1)使用误差减少算法、例如Gerchberg-Saxton通过数值近似形成的相位全息图。
7.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-所述透射全息图(21)具有面向所述声发射器表面(22)的全息表面(23)，以及
-所述全息表面(23)由提供所述声发射器表面(22)的声波耦合层(24)覆盖。
8.根据权利要求7所述的超声设备，其中所述声波耦合层(24)包括
-嵌入材料(25)，所述嵌入材料覆盖所述全息表面(23)。
9.根据权利要求8所述的超声设备，其中所述声波耦合层(24)还包括
-盖板(26)，所述盖板覆盖所述嵌入材料(25)并且提供所述声发射器表面(22)。
10.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-所述透射全息图装置(20)与所述超声源装置(10)可分离地耦接。
11.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-所述透射全息图装置(20)设置有至少一个识别装置(28)、特别是光学可读的标记和电子识别单元中的至少一者。
12.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-所述超声源装置(10)和所述透射全息图装置(20)中的至少一个设置有至少一个对准元件(27)。
13.根据前述权利要求之一所述的超声设备，还包括
-电源装置(31)，所述电源装置布置成用于向所述超声源装置(10)供应驱动电流，以及
-波形生成器(32)，所述波形生成器与所述电源装置(31)耦接，并且布置成用于控制所述驱动电流的幅度波形。
14.根据权利要求13所述的超声设备，其中
-所述波形生成器(32)和所述电源装置(31)适用于驱动所述超声源装置(10)，使得所述超声波(1)是连续波或脉冲波。
15.根据前述权利要求之一所述的超声设备，还包括
-支撑装置(40)，所述支撑装置承载所述超声源装置(10)，并且包括把手(41)、探头和内窥镜装置中的至少一者。
16.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中
-所述透射全息图(21)是静态构件。
17.一种在物体(3)中产生全息超声场(1)的方法，其中，使用根据前述权利要求之一所述的超声设备(100)，所述方法包括下述步骤：
-将所述超声设备(100)布置成与所述物体(3)声学接触，以及
-操作所述超声设备(100)，使得在所述物体(3)中产生所述全息声场(1)。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述全息超声场(1)成形为用于以下应用中的至少一者：
-在所述物体(3)中产生超声焦点；
-在所述物体(3)中产生超声图像；
-通过超声绕过所述物体中的一范围；
-所述物体(3)的超声成像；
-医疗应用，特别是疼痛治疗、高强度聚焦超声波(HIFU)疗法、生物组织治疗和/或破坏肾或膀胱结石；以及
-基于超声的能量传输。
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