CN110954207B - 一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置及检测方法，所述检测装置包括：容器，用于盛放脱气水；激光器，用于发射激光束；调节装置，用于调节换能器的位置；所述换能器置于所述脱气水中；所述换能器用于提供一声场；驱动功率源，用于调节所述换能器发出的声功率；接收装置，用于接收穿过所述声场的焦点的光束；信号转换模块，用于将穿过所述声场的焦点的光信号转换为电信号。

Description

一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及聚焦超声焦点声压测量领域，具体涉及一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置及检测方法。

背景技术

聚焦超声可以在局部产生高强度的超声波，随着聚焦超声技术的发展，聚焦超声焦点峰值声压的数值不断提高。临床中使用的HIFU声场已经超过10⁷Pa，采用谐振强聚焦的方式据称焦点峰值声压可达到10⁹Pa。由于超声波传播过程的非线性性，在如此高的声压中，焦点声波的谐波成分所占的比例非常之大。简单采用峰值声压描述HIFU检点声波对高强度超声理论和应用研究存在以下几个问题：

(1)超声波与物质相互作用产生的物理效应、化学效应和生物学效应是超声应用的基础，这些效应的强度不但与超声波的声压幅度有关，而且与超声的频率有关，要精确确定声波产生的声学效应，应即准确地测定焦点声波的频谱结构，即确定焦点处各次谐波的振幅和相位。

(2)传统的有限振幅声波在介质中的非线性传播采用二阶近似非线性声学理论进行研究，对于超高声压声波在介质中的传播，二阶近似非线性声学理论已经不再成立。检验高声压下的声波理论也需要精确检测各次谐波的振幅和相位。

精准的频谱结构检测可为HIFU的理论研究和精准应用提供坚实的基础，显然其检测方法研究具有非常大的迫切性和必要性。目前的高强度聚焦超声声压检测指标是在线性聚焦超声理论基础上发展起来的，其检测方法不但是介入的，而且对传感器频率响应的均匀性都没有做相应的要求，不能满足高强度聚焦超声焦点声波的频谱结构检测的要求。水听器是目前检测HIFU声场最理想的方法，但水听器检测不但频带宽度不够，而且由于水听器频率响应复杂，难以确定焦点声波的频谱结构。同时，水听器检测方法都属于介入检测，这种介入检测方法会间接影响到焦点的声场分布，造成高强超声焦点声波的检测困难。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置及检测方法，用于解决现有技术的缺陷。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置，所述检测装置包括：

容器，用于盛放脱气水；

激光器，用于发射激光束；

调节装置，用于调节换能器的位置；所述换能器置于所述脱气水中；所述换能器用于提供一声场；

驱动功率源，用于调节所述换能器发出的声功率；

接收装置，用于接收穿过所述声场的焦点的光束；

信号转换模块，用于将穿过所述声场的焦点的光信号转换为电信号。

可选地，所述信号转换模块包括：

光电检测电路，用于将穿过所述声场的焦点的光信号转化成电信号。

可选地，所述光电检测电路为光电二极管。

可选地，该信号转换模块还包括显示模块，用于显示光电检测电路接收到的光信号。

可选地，所述信号转换模块还包括放大模块，用于对所述光电检测电路的输出信号进行放大；所述显示模块用于对放大的信号进行显示。

可选地，所述容器的底部及四周均设置有吸声材料，用于对吸收穿过声场焦点的波。

可选地，该检测装置还包括屏蔽盒，所述显示模块设置于所述屏蔽盒内。

可选地，所述显示模块为示波器。

可选地，所述光电检测电路的响应频率远大于声波频率。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用检测装置进行检测的检测方法，该方法包括：

利用所述光电检测电路获取基波、二次谐波和高次谐波的幅值；

根据基波声压、二次谐波声压及高次谐波声压得到焦点峰值正声压和峰值负声压。

如上所述，本发明的一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置及检测方法，具有以下有益效果：

本发明利用光波的频率和传播速度远高于声波的频率和速度的特点，通过声光偏转与高速光探测器结合，将不同频率的声波信号转化为光斩波时间信号，通过比较扫描路径上不同位置的光探测器的斩波时间信号，准确的检测出焦点声波结构。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置的原理框图；

图2为本发明一实施例中一种聚焦超声焦点声波结构的检测方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所以图示仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置，所述检测装置包括：

容器5，用于盛放脱气水12；

激光器4，用于发射激光束；

调节装置1，用于调节换能器的位置，同时，调节装置还可以对换能器进行固定；所述换能器置于所述脱气水中，在使用过程中，尽量是换能器没于脱气水中；所述换能器用于提供一声场；

驱动功率源3，用于调节所述换能器发出的声功率；

接收装置，用于接收穿过所述声场的焦点13的光束11；

信号转换模块，用于将穿过所述声场的焦点的光信号转化成电信号。

在一实施例中，所述信号转换模块包括：

光电检测电路10，用于将穿过所述声场的焦点的光信号转化成电信号。其中，所述光电检测电路的响应频率远大于声波频率。

在一实施例中，所述光电检测电路为一光电二极管。

图1为光电二极管检测声场谐波声压的方式：在激光束穿过声场焦点后的传播路径上，将一响应频率远大于声波频率的光电二极管置于激光束中心来接收光信号。

本发明检测声场谐波声压的思想是：在没有声场作用时将光电二极管感光面置于激光束中心位置，当有声场作用时，光束发生周期性偏转，就会来回扫过光电二极管感光区域，从而光电二极管就会将变化的光信号转化为同步变化的电信号。在一个基频声波周期内，基波会扫过光电二极管一次，二次谐波会扫过两次，n次谐波会扫过n次。当偏转光线扫过光电二极管时，二极管接收到的光强取得极大值，相应的电信号也取得极大值。因此当不同频率的偏转光线扫过光电二极管，在输出电信号波形上就会表现为高低不同的峰状形态，通过分析示波器采集的电信号各峰的幅值和宽度，可建立与谐波声压的关系。

具体地，当换能器不工作时，激光束不发生偏转，将此时的激光光强记为I；当换能器工作时，激光束发生偏转，将基波和各次谐波声压引起的偏转光线的光强记为I_n(n＝1，2，3，……)。由于偏转光强与入射光强有关，且受焦点声压影响，因此各次谐波偏转光强与入射光强及各次谐波声压的关系可表示为：

I_n(t)＝α_nIp_n(t) (1)

其中，α_n是与衍射效率及声压有关的系数，p_n(t)表示声压。

偏转光的光强经光电转换后得到相应的电信号。由于光电二极管工作在线性区域，且放大电路也是线性的，因此光电二极管接收到的偏转光的光强与电信号呈线性关系，即：

U_n(t)＝kI_n(t) (2)

式中，k为一比例系数。

电信号与各次谐波声压的关系为：

U_n(t)＝kα_nIp_n(t) (3)

根据实验确定k、α_n及I，实验检测的电信号就能得到相应的声压，各次谐波峰值声压由各次谐波形成的电压幅值确定。得到各次谐波峰值声压后可计算焦点处峰值正声压和负声压。

在一实施例中，利用光电二极管检测偏转光信号时，由于光电二极管接收光信号后产生的光电流很小。因此，所述接收装置还包括放大模块9，用于对所述二极管的输出信号进行放大；所述显示模块用于对放大的信号进行显示。

在一实施例中，所述容器为一透明的玻璃箱。

在一实施例中，该信号转换模块还包括显示模块8，用于显示光电检测电路接收到的光信号。具体地，所述的显示模块为一示波器。

在一实施例中，为减小外界光线的干扰，该检测装置还包括屏蔽盒7，所述显示模块设置于所述屏蔽盒内。

在一实施例中，为了减少容器底部反射信号带来的干扰，所述容器的底部及四周均设置有吸声材料6，用于对吸收穿过声场焦点的波。

本发明利用光波的频率和传播速度远高于声波的频率和速度的特点，通过声光偏转与高速光探测器结合，将不同频率的声波信号转化为光斩波时间信号，通过比较扫描路径上不同位置的光探测器的斩波时间信号，准确的检测出焦点声波结构。

具体地，参照图1所示实验装置示意图，摆放好实验材料，首先将激光器底座固定于实验平台上，调节激光器位置使光束平行于x轴，且垂直与yoz平面；然后调节换能器位置使激光束穿过声场焦点，此时可根据已知的换能器焦距先粗略调节位置，再开启高频功率源并调至某一功率，通过位移调节装置对换能器进行移动以便调整换能器焦点的位置，然后进行微调直至光屏上形成对称的椭圆形光斑且尺寸为最大，此时光束恰好穿过焦点。

利用光电二极管检测偏转光信号时，由于光电二极管接收光信号后产生的光电流很小，因此需将光电二极管连接于光电放大电路中；为减小干扰，将检测电路置于特制的屏蔽盒中并由直流稳压电源输入+5V供电。

调节好激光器位置和换能器位置后，在透明玻璃水箱底部放置吸声材料并缓缓注入脱气水，脱气水需将换能器淹没。准备好后可进行下一步实验。

(1)利用光电检测获取电信号

将光电检测电路置于离焦点1.5m远处(若实验平台允许，应置于更远处以减小误差)，在没有声场时开启激光器，调节光电检测电路的位置，使光电检测电路位于激光光斑的中心，然后固定其位置。

将驱动功率源开启，调节驱动频率。利用数字存储示波器连接于光电检测电路输出端，采集不同输入电功率下的电信号并存储。

(2)计算焦点峰值声压

通过分析示波器采集的电信号各峰的幅值，建立与谐波声压的关系；即如图2所示，

S11利用所述光电检测电路获取基波、二次谐波和高次谐波的幅值；

S12根据基波、二次谐波和高次谐波的幅值得到基波声压、二次谐波声压以及高次谐波声压；

S12根据基波声压、二次谐波声压及高次谐波声压得到焦点峰值正声压和峰值负声压。

其中，高次谐波是指3次及3次以上的谐波。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器((RAM,Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种聚焦超声焦点声波结构的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

容器，用于盛放脱气水；

激光器，用于发射激光束；

调节装置，用于调节换能器的位置；所述换能器置于所述脱气水中；所述换能器用于在所述脱气水中提供一声场；

驱动功率源，用于调节所述换能器发出的声功率；

接收装置，用于接收穿过所述声场的焦点的光束；

信号转换模块，用于将穿过所述声场的焦点的光信号转换为电信号，所述信号转换模块包括光电检测电路；

数字存储示波器，用于采集不同输入电功率下的电信号并存储；

通过分析示波器采集的电信号各峰的幅值，建立与谐波声压的关系；

利用所述光电检测电路获取基波、二次谐波和高次谐波的幅值；

根据基波、二次谐波和高次谐波的幅值得到基波声压、二次谐波声压以及高次谐波声压；根据基波声压、二次谐波声压及高次谐波声压得到焦点峰值正声压和峰值负声压。

2.根据权利要求1所述的聚焦超声焦点声波结构的检测装置，其特征在于，所述光电检测电路为光电二极管。

3.根据权利要求1所述的聚焦超声焦点声波结构的检测装置，其特征在于，该信号转换模块还包括显示模块，用于显示光电检测电路接收到的光信号。

4.根据权利要求3所述的聚焦超声焦点声波结构的检测装置，其特征在于，所述信号转换模块还包括放大模块，用于对所述光电检测电路的输出信号进行放大；所述显示模块用于对放大的信号进行显示。

5.根据权利要求1所述的聚焦超声焦点声波结构的检测装置，其特征在于，所述容器的底部及四周均设置有吸声材料，用于对吸收穿过声场焦点的波。

6.根据权利要求3所述的聚焦超声焦点声波结构的检测装置，其特征在于，该检测装置还包括屏蔽盒，所述显示模块设置于所述屏蔽盒内。

7.根据权利要求3所述的聚焦超声焦点声波结构的检测装置，其特征在于，所述显示模块为示波器。

8.根据权利要求1所述的聚焦超声焦点声波结构的检测装置，其特征在于，所述光电检测电路的响应频率远大于声波频率。

9.一种利用权利要求1～8任意一项所述的检测装置进行检测的检测方法，其特征在于，该方法包括：

利用光电检测电路获取基波、二次谐波和高次谐波的幅值；

根据基波声压、二次谐波声压及高次谐波声压得到焦点峰值正声压和峰值负声压。

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