CN112238042A - 超声设备、产生超声波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声设备、产生超声波的方法，属于超声技术领域，其可至少部分解决现有的超声设备产生的超声波能量较低的问题。本发明实施例的超声设备包括：边界单元，用于盛装超声介质，所述边界单元的用于接触超声介质的表面，为能反射超声波的反射面；超声发射单元，用于通过驱动所述反射面振动向所述边界单元内的超声介质发射超声波，且至少部分所述超声波被所述反射面反射后能达到其它反射面；控制单元，用于确定振动系统的共振频率，并控制所述超声发射单元发射包括所述共振频率的成分的超声波，其中，所述振动系统包括所述超声介质、所述边界单元。

Description

超声设备、产生超声波的方法

技术领域

本发明属于超声技术领域，具体涉及一种超声设备、产生超声波的方法。

背景技术

超声波是指频率大于20kHz(千赫兹)的声波，其具有许多不同于可听声波的性质。利用超声波，尤其是聚焦的超声波，可进行疾病治疗(如高强度聚焦超声波治疗)、物理研究、材料处理等许多应用。

在许多应用中，提高超声波的能量(声强)，尤其是提高聚焦的超声波的焦点的能量是很重要的，但很多情况下，超声波的能量仍然无法达到所期望的值。

发明内容

本发明至少部分解决现有的超声设备产生的超声波能量较低的问题，提供一种可达到更高能量的超声设备、产生超声波的方法。

本发明的一个方面提供一种超声设备，其包括：

边界单元，用于盛装超声介质，所述边界单元的用于接触超声介质的表面为能反射超声波的反射面；

超声发射单元，用于通过驱动所述反射面振动向所述边界单元内的超声介质发射超声波，且至少部分所述超声波被所述反射面反射后能达到其它反射面；

控制单元，用于确定振动系统的共振频率，并控制所述超声发射单元发射包括所述共振频率的成分的超声波，其中，所述振动系统包括所述超声介质、所述边界单元。

可选的，所述反射面为具有焦点的弧面。

可选的，所述反射面为球面，或包括球心的球面的一部分。

可选的，所述球面的直径为具有所述共振频率的超声波的波长的整数倍。

可选的，所述超声介质包括水、体模、生物体组织中的任意一种。

可选的，所述共振频率在20kHz至10MHz之间。

可选的，所述反射面的体模量不超过所述超声介质的体模量的10倍。

可选的，所述反射面的体模量超过所述超声介质的体模量的10倍；

所述控制单元用于控制所述超声发射单元发射频率等于所述共振频率的超声波。

可选的，所述超声发射单元包括用于发射超声波的发射面；

所述发射面为所述反射面；

所述振动系统包括超声发射单元。

本发明的另一个方面提供一种产生超声波的方法，其采用上述的超声设备实现，所述方法包括：

所述控制单元确定所述振动系统的共振频率；

所述控制单元控制所述超声发射单元发射包括所述共振频率的成分的超声波。

本发明实施例的超声设备中，通过控制单元可获得振动系统(如边界单元、超声介质等)当前的共振频率，从而使超声发射单元发射频率等于该共振频率的超声波；通过反射面的作用，超声波可在振动系统中多次往复传播，并向振动系统传递能量；而由于超声波的频率等于振动系统的共振频率，故超声波的传播可引发振动系统的共振，振动系统的共振又可反过来增强超声波，使振动系统的振幅和其中超声波的能量逐渐增强，从而在发射的超声波能量不变的情况下，大大提高实际超声波的能量(尤其是聚焦的超声波在焦点处的能量)，使超声波实现更好的处理效果，如达到更好的聚焦超声波治疗效果和超声波处理效果，或者在焦点处达到更高的温度、压力，以引发新的声学现象等。

附图说明

图1为本发明实施例的一种超声设备中反射面的结构示意图；

图2为本发明实施例的另一种超声设备中反射面的结构示意图；

图3为本发明实施例的另一种超声设备中反射面的结构示意图；

图4为本发明实施例的一种超声设备的组成示意框图；

其中，附图标记为：10、反射面。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

可以理解的是，此处描述的具体实施例和附图仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

可以理解的是，在不冲突的情况下，本发明中的各实施例及实施例中的各特征可相互组合。

可以理解的是，为便于描述，本发明的附图中仅示出了与本发明相关的部分，而与本发明无关的部分未在附图中示出。

可以理解的是，本发明的实施例中所涉及的每个单元、模块可仅对应一个实体结构，也可由多个实体结构组成，或者，多个单元、模块也可集成为一个实体结构。

实施例1：

参照图1至图4，本发明实施例提供一种超声设备。

具体的，超声设备是用于在所需范围内产生超声波的设备，其产生的超声波可用于疾病治疗(如高强度聚焦超声波治疗)、物理研究、材料处理等。

本发明实施例的超声设备包括：

边界单元，用于盛装超声介质，边界单元的用于接触超声介质的表面为能反射超声波的反射面10。

超声发射单元，用于通过驱动反射面10振动向边界单元内的超声介质发射超声波，且至少部分超声波被反射面10反射后能达到其它反射面10。

控制单元，用于确定振动系统的共振频率，并控制超声发射单元发射包括共振频率的成分的超声波，其中，振动系统包括超声介质、边界单元。

本发明实施例的超声设备中，超声发射单元用于产生超声波，其具体可为超声换能器等形式。

边界单元则用于盛放传播超声波的超声介质(如脱气水)，即将超声介质限定在其边界(反射面10)内，而超声发射单元发出的超声波必须引起反射面10的振动，从而将超声波传入边界单元内的超声介质中。而且，边界单元与超声介质接触的表面为能反射超声波的反射面10，即超声介质中的超声波传播至反射面10时会被反射回去，且通过设计超声发射单元的发射方向、边界单元(反射面10)的形状等，需要保证在至少部分反射面10处，被反射的超声波不是直接射出，而是会反射到其它反射面10上，发生多次反射。

其中，超声设备在使用时会形成振动系统，振动系统是指在超声波传播的预定范围内的全部对象，其至少包括以上超声介质和边界单元。

而若超声介质中还设有靶区目标，则靶区目标也是振动系统的一部分。其中，靶区目标是指位于靶区(如聚焦的超声波的焦点处)的目标，或者说是超声波的处理对象，其具体可为待治疗的人体部位、需要通过超声波进行处理的材料等。

当然，振动系统中也可没有靶区目标，例如边界单元中可只有超声介质，而超声设备是用于研究超声介质中(如聚焦的超声波的焦点处)的声致发光等现象的。

以上振动系统中的各对象均会受到超声波的影响，故若将其视为一个整体，则该整体具有特定的共振频率，即振动系统可在该共振频率下发生共振。当然，共振频率的具体值是根据振动系统情况的不同而不同的，例如，当采用的超声介质不同、超声介质的用量不同、环境的温度/压力不同、靶区目标不同时，均会引起共振频率的变化。

控制单元则需要确定振动系统当前的具体共振频率，该确定方法是多样的：

例如，可预先确定各种不同情况下振动系统的共振频率，并将其存储在控制单元中，而之后可将当前情况(如超声介质的种类和用量)输入至控制单元，以供控制单元确定对应的共振频率。

再如，控制单元也可包括振动检测器件，并驱动超声发射单元以逐渐改变的频率发射超声波，通过分析不同频率下振动检测器件检测到的振动值(如振幅)，即可确定振动系统的共振频率。

在确定共振频率后，控制单元则控制超声发射单元发射特定的超声波，该特定的超声波可具有一定的频率范围，但其中至少要有部分成分是频率等于共振频率的超声波；或者，该特定的超声波也可以就是频率等于共振频率的超声波。

其中，应当理解，理论上的共振频率是一个点值，但实际超声波的频率很难绝对等于该点值，故应当认为在合理的误差范围内的频率都是共振频率；例如，可认为与共振频率的点值差距在正负100Hz(赫兹)的频率均属于共振频率。

本发明实施例的超声设备中，通过控制单元可获得振动系统(如边界单元、超声介质等)当前的共振频率，从而使超声发射单元发射频率等于该共振频率的超声波；通过反射面10的作用，超声波可在振动系统中多次往复传播，并向振动系统传递能量；而由于超声波的频率等于振动系统的共振频率，故超声波的传播可引发振动系统的共振，振动系统的共振又可反过来增强超声波，使振动系统的振幅和其中超声波的能量逐渐增强，从而在发射的超声波能量不变的情况下，大大提高实际超声波的能量(尤其是聚焦的超声波在焦点处的能量)，使超声波实现更好的处理效果，如达到更好的聚焦超声波治疗效果和超声波处理效果，或者在焦点处达到更高的温度、压力，以引发新的声学现象等。

可选的，超声介质包括水、体模、生物体组织中的任意一种。

可选用水(如脱气水，且水具体可为重水)、体模(如人体的体模材料)、生物体组织(如人体的待治疗的部位，或离体的生物体组织)等作为超声介质用于边界单元中。

当然，其它可传播超声波的物质，也可作为超声介质。

可选的，共振频率在20kHz至10MHz之间。

振动系统的共振频率可在超声波的主要频率范围内，如在20kHz(千赫兹)至10MHz(兆赫兹)之间。

可选的，反射面10为具有焦点的弧面。

反射面10(即边界单元的内表面)优选为弧面，且该弧面的形状有对应的焦点，从而被反射面10反射的超声波可在该焦点处聚焦，形成强度更高的声场，用于高强度聚焦超声波治疗、物理研究等。

进一步的，反射面10为球面，或包括球心的球面的一部分。

以上反射面10可参照图1所示为完整的球面；或者，反射面10也可为球面被截去一部分后剩余的部分，且该剩余的部分应当将球心包裹在其内部(包括球心)，如为参照图2所示的球缺，参照图3所示的球台等。当然，如果反射面10是其它非标准形状的剩余部分，也是可行的。

对球状的反射面10，所有被反射的超声波都会经过球心(即焦点)，从而进一步提高球心的能量。

更进一步的，球面的直径为具有共振频率的超声波的波长的整数倍。

当球面(包括剩余部分对应的球面)的直径为对应共振频率的超声波的波长的整数倍时，在两点之间以不同方向传播的超声波会发生叠加，并相互干涉而形成驻波，从而进一步缩小焦域范围，提高焦点处的能量。

尤其是，要形成稳定的驻波，则需要避免超声发射单元(如超声换能器)的多模态效应，否则会导致超声波不能完全叠加。而本发明实施例的超声设备中，由于超声波的频率等于共振频率，故可最大限度的消除其它模式的振动，使系统整体上处于同样的模态(共振态)。

当然，应当理解，实际产品中的反射面10不可能是完美的球面，故只要其在合理误差范围内可被认为是球面(或球面的一部分)即可，如其圆度误差小于1％。

可选的，反射面的体模量不超过超声介质的体模量的10倍。

边界单元的反射面10(内表面)的体模量相对于超声介质的体模量而言可不是很大，即相对于超声介质，反射面10的材料是弹性的，从而当超声介质因超声波而发生振动时，反射面10会随之产生较大的变形(振动)，其振幅、频率与超声介质(超声波)的振幅、频率接近，而反射面10的振动又会增强超声介质中的超声波。

由此，在超声波传入振动系统并不断反射的过程中，其中符合共振频率的振动会逐渐增强，而其它频率的振动会逐渐衰减甚至消失，从而使振动系统最终处于共振状态，实现焦点处的能量汇聚。

可见，当反射面10为弹性时，振动系统在一定程度上具有自行选择出共振频率的振动的能力，故超声发射单元发射的超声波中，只要含有频率等于共振频率的成分即可(当然也可以就是频率等于共振频率的超声波)。

进一步的，此时超声发射单元可不是持续性的发射超声波，而是在发射一定时间(如瞬时)的超声波后停止，通过以上选择作用在振动系统中自然获得在更长时间内维持的超声波。

例如，超声发射单元(如超声换能器)可具有用于发射超声波的发射面，且该发射面同时也是反射面10，即超声发射单元与边界单元为一体结构，如超声发射单元为球状的超声换能器，且同时构成边界单元。当然，在此情况下，振动系统也包括超声发射单元，确定振动系统的共振频率时应考虑超声发射单元的情况。

当然，如果是超声发射单元先发出超声波，超声波的振动再传递到反射面10上，最后通过反射面10的振动在超声介质中产生超声波，也是可行的。

可选的，反射面10的体模量超过超声介质的体模量的10倍；

控制单元用于控制超声发射单元发射频率等于共振频率的超声波。

边界单元的反射面10(内表面)的体模量也可远超过超声介质的体模量，即相对于超声介质，反射面10的材料是刚性的，从而当超声介质因超声波而发生振动时，反射面10自身基本不会随之产生变形振动。

由此，为使反射面10(边界单元)发生共振，则超声发射单元发射的超声波的频率应当就等于以上共振频率。

可选的，超声发射单元包括用于发射超声波的发射面；发射面为反射面10；振动系统包括超声发射单元。

也就是说，超声发射单元(如超声换能器)的发射面可以同时也是反射面10，即超声发射单元与边界单元可为一体结构，如超声发射单元为球状的超声换能器，且同时构成边界单元。当然，在此情况下，振动系统也包括超声发射单元，确定振动系统的共振频率时应考虑超声发射单元的情况。

其中，以上超声发射单元的具体形式是多样的：例如，超声发射单元可采用点状的超声波源，如为一个单独的点状超声波源(点激励源)，也可为两个对称设置的点状超声波源，或为多个按预定方式排布的点状超声波源；再如，超声发射单元也可采用面状的超声波源，如为一个或多个具有发射面的超声换能器，且超声换能器的发射面还可构成以上反射面10(或构成反射面10的一部分)。

实施例2：

本发明实施例提供一种产生超声波的方法，其采用上述的超声设备实现，该方法包括：

控制单元确定振动系统的共振频率；

控制单元控制超声发射单元发射包括共振频率的成分的超声波。

本发明实施例的方法中，发射的超声波的频率等于(或包括)振动系统的共振频率，故其超声波可达到更高的能量(尤其是聚焦的超声波的焦点处的能量)，实现更多、更好的具体应用。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声设备，其特征在于，包括：

边界单元，用于盛装超声介质，所述边界单元的用于接触超声介质的表面为能反射超声波的反射面；

超声发射单元，用于通过驱动所述反射面振动向所述边界单元内的超声介质发射超声波，且至少部分所述超声波被所述反射面反射后能达到其它反射面；

控制单元，用于确定振动系统的共振频率，并控制所述超声发射单元发射包括所述共振频率的成分的超声波，其中，所述振动系统包括所述超声介质、所述边界单元。

2.根据权利要求1所述的超声设备，其特征在于，

所述反射面为具有焦点的弧面。

3.根据权利要求2所述的超声设备，其特征在于，

所述反射面为球面，或包括球心的球面的一部分。

4.根据权利要求3所述的超声设备，其特征在于，

所述球面的直径为具有所述共振频率的超声波的波长的整数倍。

5.根据权利要求1所述的超声设备，其特征在于，

所述超声介质包括水、体模、生物体组织中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的超声设备，其特征在于，

所述共振频率在20kHz至10MHz之间。

7.根据权利要求1所述的超声设备，其特征在于，

所述反射面的体模量不超过所述超声介质的体模量的10倍。

8.根据权利要求1所述的超声设备，其特征在于，

所述反射面的体模量超过所述超声介质的体模量的10倍；

所述控制单元用于控制所述超声发射单元发射频率等于所述共振频率的超声波。

9.根据权利要求8所述的超声设备，其特征在于，

所述超声发射单元包括用于发射超声波的发射面；

所述发射面为所述反射面；

所述振动系统包括超声发射单元。

10.一种产生超声波的方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任意一项所述的超声设备实现，所述方法包括：

所述控制单元确定所述振动系统的共振频率；

所述控制单元控制所述超声发射单元发射包括所述共振频率的成分的超声波。

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