CN112951196A - 使用聚焦超声波产生超声强度阱以限制或移动物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了使用聚焦超声波产生超声强度阱以限制或移动物体的方法。一种方法包括将聚焦超声波发射到介质中以形成(i)位于介质中的、具有第一声压强范围的超声强度阱；以及(ii)介质的周边区域，其围绕所述超声强度阱且具有一超过第一声压强范围的第二声压强范围。该方法还包括将物体限制在超声强度阱中。此外，一声学透镜被配置为声学地耦合到一声学换能器。该声学透镜具有纵向变化的厚度，其随着该声学透镜的方位角的增加而成比例地增加。另一声学透镜被配置为声学地耦合到一声学换能器。该声学透镜包括多个区段。该多个区段中的每一个具有纵向变化的厚度，其随着区段的方位角的增加而成比例地增加。

Description

使用聚焦超声波产生超声强度阱以限制或移动物体的方法
本申请是2017年4月26日提交的申请号为201580058213.2、发明名称为“使用聚焦超声波产生超声强度阱以限制或移动物体的方法”的专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求2014年9月5日提交的序列号为No.62/046,654的美国临时专利申请的权益，其所有的公开内容通过引用合并于此。
关于联邦赞助研究或发展的声明
本发明是在政府支持下完成的，其批准号为1R01 DK092197-02,2P0 1 DK043881-15,2R01 EB007643-05以及2T32 DK007779-11A1，由国立卫生研究院颁发。政府享有本发明的一定的权利。
背景技术
除非此处另有说明，该部分所描述的内容并非相对于本申请权利要求而言的现有技术，也并非通过引用到该部分中而被承认为现有技术。
目前已知的使用超声波在声学上限制或移动物体的方法在移动或限制某些物体时并不起作用。例如，这些方法并不适用于移动或限制较大的物体、质量密度高的物体，或声波在其中传输速率高的物体，例如肾结石。
发明内容
一个示例性方法包括将聚焦超声波发射到介质中以形成(i)位于介质中的、具有第一声压强范围的超声强度阱；以及(ii)介质的周边区域，其围绕所述超声强度阱且具有一超过第一声压强范围的第二声压强范围。该方法还包括将物体限制在超声强度阱中。
一示例性声学透镜被配置为声学地耦合到一声学换能器。该声学透镜具有纵向变化的厚度，其随着该声学透镜的方位角的增加而成比例地增加。
另一示例性声学透镜被配置为声学地耦合到一声学换能器。该声学透镜包括多个区段。该多个区段中的每一个具有纵向变化的厚度，其随着区段的方位角的增加而成比例地增加。
一个示例性的装置包括声学换能器、一个或多个处理器以及计算机可读介质。该计算机可读介质存储指令，该指令被所述一个或多个处理器执行时使所述声学换能器执行多种功能。这些功能包括将聚焦超声波发射到介质中以形成(i)位于介质中的、具有第一声压强范围的超声强度阱；以及 (ii)介质的周边区域，其围绕所述超声强度阱且具有一超过第一声压强范围的第二声压强范围。该功能还包括将物体限制在超声强度阱中。
一种示例性计算机可读存储介质，其存储指令，所述指令在被包括声学换能器和/或声学透镜的计算装置执行时可使所述声学换能器和/或所述声学透镜执行功能。这些功能包括将聚焦超声波发射到介质中以形成(i)位于介质中的、具有第一声压强范围的超声强度阱；以及(ii)介质的周边区域，其围绕所述超声强度阱且具有一超过第一声压强范围的第二声压强范围。该功能还包括将物体限制在超声强度阱中。
当文中使用术语“基本上”或“约”时，其意味着所描述的特征、参数或数值并不需要被精确地达到，但偏差或变化(包括例如容差、测量误差、测量精度限制和本领域技术人员公知的其他因素)可被控制在不会影响意图实现的特征的效果的程度范围内，在此处公开的一些示例中，“基本上”或“约”指所描述数值的+/-5％内。
如此处使用的，术语“超声”可通常指频率高于人类可察觉的一般频率范围(例如，20Hz-20kHz)的声波，但该术语并不被应该被解释为排除了那些包括频率落入人类可察觉的一般频率范围声波的实施例。
通过阅读下文详细说明，并参照合适的附图，这些以及其他方面、优点和可替代方案对本领域技术人员将变得清楚。
附图说明
图1为示例性声学换能器装置的简化框图；
图2示出了一个示例性的声学换能器；
图3示出了一个被配置为相移和聚焦超声波的组成部分的示例性声学透镜；
图4示出了另一个被配置为相移和聚焦超声波的组成部分的示例性声学透镜；
图5的框图示出了一个利用超声波限制或移动物体的示例性方法；
图6示出了示例性的超声波；
图7A、7B、7C、7D和7E示出了介质的焦平面内对应于各种L值所测得的压强幅值；
图8示出了一个示例性声学透镜对介质的一焦平面内所测压强幅值的影响；
图9A、9B、9C、9D示出了使用超声波限制或移动物体；
图10示出了通过超声波提供的机械力矩旋转一示例性物体。
具体实施方式
如上文所述，现有的使用超声波移动或限制物体的方法对于大尺寸和高质量密度的物体是不起作用的。此处公开的方法和系统适用于移动或限制比使用现有方法能够限制或移动的物体更大和/或更致密的物体。例如，声学换能器可将聚焦超声波发射到介质中以形成(i)位于介质中的、具有第一声压范围的超声强度阱；以及(ii)介质的周边区域，其围绕超声强度阱且具有一超过第一声压范围的第二声压范围。在一些实施例中，超声强度阱可为由介质的周边区域限定的略微圆形。通过在物体周围形成超声强度阱或控制一预形成的超声强度阱从而围绕该物体，可将该物体限制在该超声强度阱内。还可以(机械地或和/或电子地)控制超声强度阱从而在介质内移动该物体。更特别地，可使该物体在横向于超声波的传播方向的方向上移动。
在一个实施例中，可通过声学换能器向超声波施加渐近相移。声学换能器可包括m个排列成圆形图案的(压电)换能器元件。m个换能器元件中的每一个可发射超声波中的相应组份，该组份相对于相邻换能器元件发射的超声波组份相移2πL/m弧度。L可以为非零整数，m可以例如大于等于3。代表超声波的各个相移组份的输入信号可通过例如信号发生器而被提供给相应的换能器元件。通过这种方式，渐进相移相对于发射声波各个组份的声学换能器的方位角被施加给超声波，从而形成超声强度阱。通过 (电子地)增加L的幅度可增加超声强度阱的直径，通过(电子地)降低L的幅度可降低超声强度阱的直径。
在另一个实施例中，通过第一声学透镜向超声波施加渐近相移。第一声学透镜可具有纵向变化的厚度，其随着第一声学透镜的方位角的增加而成比例地增加。例如，单相声学换能器可以第一方位角θ＝θ1将超声波的第一组份发射穿过第一声学透镜，并且该第一声学透镜可向该第一组份施加第一相移L*θ1。L可以为由该第一声学透镜的纵向变化厚度限定的非零整数。声学换能器也可以第二方位角θ＝θ2将超声波的第二组份发射穿过第一声学透镜，并且该第一声学透镜可向该第二组份施加第二相移L*θ2。通过这种方式，渐进相移相对于发射声波各个组份的声学换能器的方位角被施加给超声波，从而形成超声强度阱。通过增加L的大小可(例如，通过增加第一声学透镜的厚度)增加超声强度阱的直径，通过降低L的大小(例如，通过降低第一声学透镜的厚度)可降低超声强度阱的直径。在一些实施例中，第一声学透镜还可包括具有弯曲表面的额外部分，该弯曲表面被配置为将超声波的各种组份聚焦到介质的焦平面中。
在另一个实施例中，通过一包括p个区段的第二声学透镜向超声波施加渐近相移。p个区段中的每一个可具有变化的纵向厚度，其随着区段的方位角的增加而成比例地增加。单相声学换能器可以第一方位角θ＝θ3将超声波的第一组份发射穿过第二声学透镜。该第二声学透镜可向该第一组份施加第一相移L*θ3。L可以为p的整数倍。声学换能器也可以第二方位角θ＝θ4将超声波的第二组份发射穿过第二声学透镜。该第二声学透镜可向该第二组份施加第二相移L*θ4。通过这种方式，渐进相移相对于发射声波各个组份的声学换能器的方位角被施加给超声波，从而形成超声强度阱。通过增加L的大小可(例如，通过增加第二声学透镜的区段的数量p)增加超声强度阱的直径，通过降低L的大小(例如，通过减少p)可降低超声强度阱的直径。在一些实施例中，第二声学透镜还可包括具有弯曲表面的第二部分，该弯曲表面被配置为将超声波的各种组份聚焦到介质中。
参考附图，图1示出了一个示例性的声学换能器装置100，其被配置为通过向介质116中发射聚焦超声波114而在介质116中移动或限制物体 122。装置100可包括处理器102、数据存储器104、输入/输出界面106、传感器模块108以及声学换能器110，它们中的任意一个或全部可通过系统总线或另一连接机构111相互交互性地耦合。在一些实施例中，装置100 还可包括声学地耦合到声学换能器110的声学透镜112。
处理器102可包括被配置为执行存储在数据存储器104中的程序指令的通用处理器和/或专用处理器。在一些实施例中，处理器102可为多核处理器，其由一个或多个被配置为协作执行存储在数据存储器104中的指令的处理单元组成。在一个实施例中，通过执行存储在数据存储器104中的程序指令，处理器102可向声学换能器110提供输入信号或信号参数，以发射、控制和/或聚焦超声波114。在另一个实施例中，处理器102可基于经由输入/输出界面106接收的输入而向声学换能器110提供输入信号或信号参数。
数据存储器104可包括一个或多个易失性、非易失性、可移除性和/ 或非可移除性存储器部件。数据存储器104可为磁、光或闪存存储介质，并可被整体或部分地集成到处理器102或装置100的其它部分。另外，数据存储器104可为非瞬时性计算机可读存储介质，其中存储有程序指令，该程序指令被处理器102执行时使装置100执行本申请中描述的任何功能。这种程序指令可以为能够响应于从例如输入/输出界面106接收的输入而被执行的软件应用的一部分。数据存储器104还可存储其它类型的信息或数据，诸如本申请通篇描述的类型。
如果适用，输入/输出界面106可实现与装置100用户的交互。输入/ 输出界面106可包括输入组件，诸如刻度盘、按钮、键盘、鼠标、小键盘或触摸板，以及输出组件，诸如显示器(其例如可与触摸板结合)、扬声器和触摸式反馈系统。在一个实施例中，输入/输出界面106可接收指示如下内容的输入：(i)限定超声波114的各种参数；和/或(ii)用于控制或聚焦超声波114至介质116的各个部分的各种参数。
在一些实施例中，输入/输出界面106可包括用于显示物体122的图像或由传感器模块108收集的其它传感数据的显示屏。将超声波114合适地定位到物体122上或其附近通常涉及表征物体122的尺寸、形状、位置和 /或一致性。显示屏可显示物体122的被传感器模块108捕捉到的图像。所显示的物体122的图像可在发射超声波114之前被使用，或者可通过监测物体122的位置而在超声波被发射的同时而被实时地使用。
传感器模块108可包括被配置为在发射超声波114之前、之中或之后从物体122或介质116收集传感数据的任何已知的硬件和/或软件。例如，传感器模块108可包括图像系统以捕捉物体122的图像并将捕捉到的图像提供给输入/输出界面106以供显示。传感器模块108可包括(额外的)声学换能器，其被配置为(i)产生被物体122散射和/或反射的超声波；(ii)探测被物体122反射和/或散射的超声波；以及(iii)利用探测到的超声波产生物体122的图像。在另一实施例中，传感器模块108可包括磁共振成像(MRI) 系统。此处可考虑任何已知的适于对位于人体或各种其它介质116中的物体成像的技术。
在一些实施例中，传感器模块108可与声学换能器110集成。例如，单个声学换能器或换能器阵列可用于移动/限制物体122以及对物体122 成像。
声学换能器110可包括被配置为从处理器102和/或输入/输出界面106 接收代表超声波114的参数的数据或信号的信号发生器。例如，处理器102 可向声学换能器110发送表示经由输入/输出界面106接收的输入的数据。在另一实施例中，所接收的输入可仅仅指示由存储在数据存储器104中的程序指令表示的多个预设超声波传输协议中的一个。这种由声学换能器 110接收的数据可指示各种超声参数，诸如超声换能器110的工作功率、超声波114的功率密度、超声波114的振荡频率、超声波114的脉冲持续时间、超声波114的占空比以及待生成的超声脉冲的数量，等等。所接收的数据还指示物体122即将移动时所沿的介质116位置的轨迹、路径或顺序。在另一实施例中，可手动和/或机械地对超声波114的路径进行导向。在一些实施例中，声学换能器110可包括一个放大器，其用以所需功率产生超声波114。
声学换能器110可包括一个或多个压电换能器元件，其被配置为响应于接收代表超声波114的组份的相应输入信号而发射超声波114的组份。例如，超声换能器110可包括换能器元件的相控阵，其被配置为电子地聚焦或控制超声波114至介质116和/或物体122的各个部分。声学换能器 110的每个换能器元件可接收各自的独立的输入信号或数据。声学换能器 110还可包括一个或多个具有对应于超声波114/介质116的焦平面的曲率半径的换能器元件。声学换能器110可被配置为产生振荡频率从 20kHz-10MHz的超声波，但其它实施例也是可以的。
在另一实施例中，声学换能器110仅包括一个换能器元件，或仅被提供有一个单相输入信号。此处，声学换能器110可声学地耦合到声学透镜 112以产生具有渐进相移的超声波114。
在一些实施例中，声学透镜112可基于超声波114的各个组份穿过声学透镜112的区域而向各个组份施加不同度数的相移。声学透镜112可包括任何声速不同于介质116的材料。即，声学波(例如，声波/超声波)可以各自的速度传播通过声学透镜112和介质116。声学透镜112可由诸如塑料、陶瓷和/或金属材料制成。在一个实施例中，声学透镜112包括UV固化光聚合塑料Accura 60。声学透镜112也可包括其他材料。图3和图4 中分别示出了示例性的声学透镜300和400，下文将对其进行详细说明。
介质116可包括围绕、包含或接触物体122的任何介质，诸如活人对象的完整组织、切开的生物组织、液体介质(例如水)、培养皿上的介质(例如琼脂)、显微镜载玻片上的液体介质等等。介质116的另一些例子可包括尿路、肾道、输尿管、膀胱、尿道、前列腺、唾液腺、胆囊、苦胆、血管或肠道。在一些实施例中，介质116可围绕或接触声学透镜112的一部分，并声学地耦合到声学透镜112。在其它实施例中，介质116可直接声学地耦合到声学换能器110。
物体122可包括任何适于通过与超声波114交互而移动和/或限制的物体。物体122的一些例子包括：肾结石、尿路结石、输尿管结石、膀胱结石、尿道结石、前列腺结石、唾液腺结石、胆囊结石、胆结石、胆管，血块、血液、粘液、粪便、耵聍、钙化、钙化斑块、动脉粥样硬化斑块、尿酸、磷酸铵镁、草酸钙、胱氨酸、扁桃体结石、固态非生物物质、电子元件、生物组织或非生物组织。
通过将超声波114传输到介质116中而形成超声强度阱118。超声强度阱118代表介质中具有第一声压范围的区域。
周边区域120代表围绕超声强度阱118且具有超过第一声压范围的第二声压范围的介质区域。压强的第一和第二范围的绝对压强值并不重要。
图2示出了声学换能器210的详细示意图，其包括
换能器元件213A、213B、213C、213D、213E、213F、213G、213H、 2131、213J、213K、和213L。在一些实施例中，换能器元件213A-L可被排列并成形(例如被弯曲)，从而使其发射的超声波被聚焦到距声学换能器110的中心轴向距离为75mm处。声学换能器110可具有(i)直径约11mm 的中心开口；以及(ii)约75mm的外径。
如上文结合图1所述，每个换能器元件213A-L可被配置为从声学换能器110的信号发生器、从处理器102、或从输入/输出界面106接收独立的输入信号。每个换能器元件213A-L可被配置为以由各自接收到的输入信号表示的频率和相位振动，从而发射超声波114。
在另一实施例中(未示出)，声学换能器110可仅包括被配置为发射单相超声波114的单元件换能器。在一些例子中，单元件换能器可被弯曲从而将超声波114聚焦到围绕或接触物体122的介质116的焦平面。在单元件换能器的情况下，声学换能器110被声学地耦合到图3和图4中分别示出的声学透镜300或400会是有利的，因此基于方位角的渐进相移可通过声学透镜300或400被施加到超声波114。
图3示出了一个被配置为相移和/或聚焦超声波(例如，超声波114)的组份314A和314B的示例性声学透镜300。在各个实施例中，声学透镜300 可包括第一部分312A和第二部分312B中的一个或两个。在声学透镜300 的第一个实施例中，仅第一部分312A声学地耦合到声学换能器110。在声学透镜300的第二个实施例中，仅第二部分312B声学地耦合到声学换能器110。在声学透镜300的第三个实施例中，第一部分312A声学地耦合到声学换能器110，第二部分312B声学地耦合到第一部分312A。在声学透镜300的第四个实施例中，第二部分312B声学地耦合到声学换能器 110，第一部分312A声学地耦合到第二部分312B。
第一部分312A可具有变化的纵向厚度(例如，平行于组份134A和 314B的传播方向的厚度)。变化的纵向厚度可随着声学透镜300的方位角的增加而成比例地增加。例如，第一部分312A在第一方位角θ＝θ1可具有第一纵向厚度A*L*θ1+B，在第二方位角θ＝θ2可具有第二纵向厚度 A*L*θ2+B。第一部分312A还可包括一边界，在该边界处，第一部分312A 的变化的纵向厚度从A*L*2π+B非连续地变化为B。
A和B可为非零正数，L可为非零整数。B可对应于第一部分312A 在θ＝0(即θ＝2π)时的最小的纵向厚度。L的值可对应于第一部分312A可施加到穿过第一部分312A的超声波的各个组份的一系列相移。在一些实施例中，L等于-6,-5,-4,-3,-2,-1,1,2,3,4,5,或6,对应于越过整个扫描2π方位角的-12π,-10π,-8π,-6π,-4π,-2π,2π,4π,6π,8π,10π,12π的渐进相移。L的值可确定超声强度阱118的直径。即，超声强度阱118的直径与A的大小成比例。 A可由以下公式定义：
Figure RE-GDA0003057615780000081
其中λm大于约148.2μm，小于约74.1mm(粗略地对应于频率在约20kHz 至10MHz之间的穿过水介质的声学波的波长)。特别地，λm可约等于988μm(粗略地对应于频率约位1.5MHz的穿过水介质的声学波的波长)。在另一实施例中，λm可约等于4.49mm(粗略地对应于频率约为0.33MHz的穿过水介质的声学波的波长)，n可为声学透镜300相对于介质116的声学折射率。例如，如果n＝3，那么声学波穿过声学透镜300的速率是穿过介质116的速率的三分之一。在另一实施例中，如果n＝0.5，那么声学波穿过声学透镜300的速率是穿过介质116的速率的二倍。
如图3所示，第一部分312A的纵向厚度沿声学透镜300的第一部分 312A的径向基本恒定。
第二部分312B可包括弯曲的表面316，其被配置为将声学透镜300 在各个方位角接收到的超声波组份聚焦到介质116的焦平面。
下文将进一步描述声学透镜300的额外的功能应用。
图4示出了一个示例性声学透镜400，其被配置为用于相移和聚焦超声波(例如超声波114)的组份414A和414B。在各个实施例中，声学透镜 400可包括第一部分412A和第二部分312B中的一个或两个。在声学透镜 400的第一个实施例中，仅第一部分412A声学地耦合到声学换能器110。在声学透镜400的第二个实施例中，仅第二部分412B声学地耦合到声学换能器110。在声学透镜400的第三个实施例中，第一部分412A声学地耦合到声学换能器110，第二部分312B声学地耦合到第一部分412A。在声学透镜400的第四个实施例中，第二部分412B声学地耦合到声学换能器110，第一部分412A声学地耦合到第二部分412B。
第一部分412A可包括多个区段413A、413B、413C、413D、413E和 413F。多个区段413A-F中的每一个具有纵向变化的厚度，其随着区段的方位角的增加而成比例地增加。例如，区段413D在第一方位角θ＝θ3可具有第一纵向厚度C*L*θ3+D，在第二方位角θ＝θ4可具有第二纵向厚度 C*L*θ4+D。第一部分412A可包括位于区段413D和区段413C之间的边界，在该边界处，第一部分412A的纵向厚度从C*L*(π/3)+D变化至D(在 L＝6时)。对于通常的具有p个区段的第一部分412A而言，第一部分412A 可包括位于相邻区段之间的边界，在该边界处第一部分412A的纵向厚度从C*L*(2π/p)+D变化至D。
C和D可为非零正数，L可为p的整数倍(对于第一部分412A而言，为6的整数倍)。D可对应于区段413D在θ＝0时的最小的纵向厚度。在一些实施例中，L等于-6、-5、-4、-3、-2、2、3、4、5或6。在图4所示出的实施例中，p等于6，因此L可等于6的整数倍，分别对应于区段413D越过整个扫描π/3方位角的(+/-)2π、(+/-)4π、(+/-)6π等的渐进相移范围。在通常的p个区段的情况下，被给定区段施加到超声波的整个范围的相移可等于2πL/p。在一些实施例中，L可等于第一部分412A的区段的个数(例如L＝p＝6)。L的值可确定超声强度阱118的直径。即，超声强度阱118的直径与L的大小成比例。
此外，C可由以下公式定义：
Figure RE-GDA0003057615780000101
其中λm大于约148.2μm，小于约74.1mm(粗略地对应于频率在约20kHz 至10MHz之间的穿过水介质的声学波的波长)。特别地，λm可约等于988 μm(粗略地对应于频率约位1.5MHz的穿过水介质的声学波的波长)。在另一实施例中，λm可约等于4.49mm(粗略地对应于频率约为0.33MHz的穿过水介质的声学波的波长)，n可为声学透镜400相对于介质116的声学折射率。例如，如果n＝3，那么声学波穿过声学透镜400的速率是穿过介质 116的速率的三分之一。在另一实施例中，如果n＝0.5，那么声学波穿过声学透镜400的速率是穿过介质116的速率的二倍。
如图4所示，第一部分412A的纵向厚度沿第一部分412A的径向基本恒定。
第二部分412B可包括弯曲的表面416，其被配置为将声学透镜400 在各个方位角接收到的超声波组份聚焦到介质116的焦平面。
下文将进一步描述声学透镜400的额外的功能应用。
图5的示出了一个利用超声波限制或移动物体的示例性方法的流程图。图5所示的方法500示出了一个可在操作环境中实施的示例性方法，该操作环境包括例如声学换能器装置100、声学换能器110、声学透镜112、介质116、物体122、声学透镜300以及声学透镜400。方法500可包括方框502和504中的一个或多个所示出的一种或多种操作、功能或动作。尽管方框被依次示出，但这些方框也可平行地执行，和/或以不同于此处的顺序而执行。此外，各个方框可根据所需实现方法被合并成若干方框、拆分成额外的方框和/或移除。
另外，对于方法500以及此处公开的其它步骤和过程，该流程图示出了本实施例的一个可能的实现方法的功能和操作。就这点而言，每个方框可代表程序代码的一个模块、一个区段或一部分，其包括一个或多个指令，这些指令可由处理器执行以实现过程的特定的逻辑功能或步骤。程序代码可被存储在任何计算机可读介质中，例如，诸如包括磁盘或硬盘驱动器的存储装置。在一些实施例中，程序代码可被存储在关联和/或连接到服务器系统的存储器(例如，磁盘或磁盘阵列)，该服务器系统使程序代码可被下载到台式/笔记本电脑、智能手机、平板电脑或其它类型的计算装置。计算机可读介质可包括非瞬时性计算机可读存储介质，例如，诸如类似寄存器一样短时间存储数据的计算机可读存储介质、处理器缓存以及随机存取存储器(RAM)。计算机可读介质还可包括非瞬时性介质，诸如二级或长期持续存储器，例如，像只读存储器(ROM)、光盘或磁盘、光驱(CD-ROM)。计算机可读介质还可为任何其他易失性或非易失性存储系统。计算机可读介质可被认为是例如计算机存储介质，或有形的存储装置。此外，对于方法500和此处公开的其他过程和方法，图5中的每个方框可表示有引线的、能执行过程中的特定逻辑功能的电路。
在方框502中，方法500包括将聚焦超声波发射到介质中以形成(i)位于介质中的、具有第一声压强范围的超声强度阱；以及(ii)介质的周边区域，其围绕所述超声强度阱且具有一超过第一声压强范围的第二声压强范围。
如图1所示，声学换能器110可将超声波114发射到介质116以在介质116中形成超声强度阱118。为了发射超声波114，声学换能器110可接收范围在90-100V、时间平均功率为2.25W的输入电压，但其它实施例也是可以的。超声强度阱118可具有第一声压范围(下文将详细描述)。超声波114还可在具有超过第一声压范围(下文将详细描述)的第二声压范围的介质116中形成周边区域120。
图6示出了声学换能器110发射的超声波114的一个实施例。超声波 114的振荡频率fosc可为20kHz至10MHz(例如1.5MHz或0.33MHz)。超声波114可具有约100Hz的脉冲重复频率f2和约33.3μs的脉冲持续时间t1。其它实施例也是可以的。
发射超声波可包括具有m个换能器元件的阵列中的每一个换能器元件发射超声波中的相应组份，该组份相对于相邻换能器元件发射的超声波组份相移2πL/m弧度。L可以为任何非零整数(例如-6、-5、-4、-3、-2、-1、 1、2、3、4、5或6)，m可以大于或等于3(例如m＝12)。其它实施例是可以的。
例如，换能器元件213A-L中的每一个可发射分别具有根据下表的相移的超声波114组份。
换能器元件 相移
213A 0
213B πL/6
213C πL/3
213D πL/2
213E 2πL/3
213F 5πL/6
213G πL
213H 7πL/6
213I 4πL/3
213J 3πL/2
213K 5πL/3
213L 11πL/6
发射具有这种相移度数变化的超声波114可形成超声强度阱118以及周边区域120。
在另一实施例中，声学换能器110可发射超声波114的第一组份314A 和第二组份314B。在该实施例中，(声学换能器110发射的)第一组份314A 和第二组份314B可相对于彼此没有相移。声学换能器110可通过第一部分312A以第一方位角θ＝θ1发射第一组份314A。第一部分312A可向该第一组份314A施加第一相移L*θ1。L可以为任何非零整数(例如-6、-5、-4、-3、-2、-1、1、2、2、3、4、5或6)。声学换能器110还可通过第一部分 312A以第二方位角θ＝θ2发射第二组份314B。第一部分312A可向该第二组份314B施加第二相移L*θ2。
在第一方位角θ＝θ1处，第一部分312A可具有第一纵向厚度 A*L*θ1+B，在第二方位角θ＝θ2处，第一部分312A可具有第二纵向厚度 A*L*θ2+B。A可由以下公式定义:
Figure RE-GDA0003057615780000121
其中λm为传播穿过介质116的超声波114的波长，λp为传播穿过声学透镜 300的超声波114的波长。第一组份314A穿过第一部分312A之后，第一组份314A可穿过第二部分312B。第二部分312B的弯曲的表面316可将第一组份314A聚焦到介质116的焦平面。
第二组份314B穿过第一部分312A之后，第二组份314B可穿过第二部分312B。第二部分312B的弯曲的表面316可将第二组份314B聚焦到介质116的焦平面。
在另一实施例中，声学透镜300可被配置为使得超声波114的组份 314A和314B可先穿过第二部分从而被聚焦，然后穿过第一部分312A从而被施加对应的相移。
图7A-E示出了介质的焦平面716内对应于各种L值所测得的压强幅值。图7A示出了被周边区域720A围绕的超声强度阱718A，由对应于L＝1 的超声波形成。如图所示，超声强度阱718A的直径为十分之几毫米的量级，周边区域720A的直径约为2.25mm。超声强度阱718A具有约为 0-0.3MPa的第一声压范围，周边区域720A具有约为0.3-0.7MPa的第二声压范围。
图7B示出了被介质716的周边区域720B围绕的超声强度阱718B，由对应于L＝3的超声波形成。如图所示，超声强度阱718B的直径约为 2mm，周边区域720B的直径约为4.5mm。超声强度阱718B具有约为 0-0.3MPa的第一声压范围，周边区域720B具有约为0.3-0.4MPa的第二声压范围。
图7C示出了被介质716的周边区域720C围绕的超声强度阱718C，由对应于L＝4的超声波形成。如图所示，超声强度阱718C的直径约为 2.25mm，周边区域720C的直径约为5.5mm。超声强度阱718C具有约为 0-0.15MPa的第一声压范围，周边区域720A具有约为0.15-0.35MPa的第二声压范围。
图7D示出了被介质716的周边区域720D围绕的超声强度阱718D，由对应于L＝5的超声波形成。如图所示，超声强度阱718C的直径约为 2.25mm，周边区域720C的直径约为5.5mm。超声强度阱718D具有约为 0-0.2MPa的第一声压范围，周边区域720D具有约为0.2-0.4MPa的第二声压范围。
图7E示出了被介质716的周边区域720E围绕的超声强度阱718E，由对应于L＝6的超声波形成。如图所示，超声强度阱718E的直径约为 3.5mm，周边区域720E的直径约为8.5mm。超声强度阱718E具有约为 0-0.2MPa的第一声压范围，周边区域720E具有约为0.2-0.4MPa的第二声压范围。
在其它实施例中，将超声波发射到介质中可包括将超声波的第一组份发射穿过包括p个区段的声学透镜，其中p大于等于2。第一组份可被以第一方位角θ＝θ3发射穿过声学透镜，声学透镜可向该第一组份施加第一相移L*θ3。L可以为p的整数倍(或可能等于p)。将超声波发射到介质中还可包括将超声波的第二组份以第二方位角θ＝θ4发射穿过声学透镜。该声学透镜可向该第二组份施加第二相移L*θ4。
例如参见图4，声学换能器110可将超声波114的第一组份以第一方位角θ＝θ3发射穿过第一部分412A的第一区段413D。第一部分412A可向第一组份414A施加第一相移L*θ3。L可以为p的整数倍，或者在一些情况下，L可以等于p。L可取值为诸如-6、-5、-4、-3、-2、-1、1、2、3、 4、5或6。在图4-图6中所示的实施例中，p＝6(对应于区段413A-F)。声学换能器110也可以第二方位角θ＝θ4发射穿过第一部分412A的区段413D 的超声波的第二组份414B。第一部分412A可向该第二组份414B施加第二相移L*θ4。
第一组份414A穿过第一部分412A之后，第一组份414A可穿过第二部分412B。第二部分412B的弯曲的表面416可将第一组份414A聚焦到介质116的焦平面。
第二组份414B穿过第一部分412A之后，第二组份414B可穿过第二部分412B。第二部分412B的弯曲的表面416可将第二组份414B聚焦到介质116的焦平面。
在另一实施例中，声学透镜400可被配置为使得超声波114的组份 414A和414B可先穿过第二部分从而被聚焦，然后穿过第一部分412A从而被施加对应的相移。
在第一方位角θ＝θ3处，第一部分412A可具有第一纵向厚度C*L*θ3+D, 其中C和D为非零正数。在第二方位角θ＝θ4处，第一部分412A可具有第二纵向厚度C*L*θ4+D。C可由以下公式定义：
Figure RE-GDA0003057615780000151
其中λm为传播穿过介质116的超声波114的波长，λp为传播穿过声学透镜 400的超声波114的波长。无论是使用声学换能器210聚焦超声波114还是使用声学透镜300或400聚焦，超声波114都可被聚焦到介质116的焦平面上。这会使得超声强度阱118形成在焦平面内，且周边区域120在焦平面内为环形。超声波114可被聚焦到超声强度阱118内的焦点(例如，中心点)上。焦点在可具有焦平面内的声压局部最小值。
图8示出了一个示例性声学透镜400对介质116的焦平面内所测压强幅值的影响。图8示出了被介质816的周边区域820围绕的由超声波形成的超声强度阱818。如图所示，超声强度阱818的直径约为7mm，周边区域820的直径约为13mm。超声强度阱818具有约为0-0.035MPa的第一声压范围，周边区域820具有约为0.035-0.06MPa的第二声压范围。
方框504中，方法500包括将物体限制在超声强度阱中。如图9A所示，通过声学换能器发射的超声波，在介质116内形成超声强度阱118和周边区域120。在图9A的实施例中，超声强度阱118和周边区域120被形成为远离介质116中的物体122的位置。
在图9B中，超声强度阱118和周边区域120被电操控或机械操控，从而使超声强度阱118围绕物体122。在另一实施例中，图9B示出了在操控超声强度阱118和周边区域120朝向物体122之后，超声强度阱118和周边区域120形成在物体122的周围，而非超声强度阱118和周边区域120 被形成为远离物体122。
与图9B相比，图9C中超声强度阱118和周边区域120被向下操控，从而也向下移动物体122。图9B和图9C中描绘的向下的方向可垂直于超声波114的传播方向。即，超声波114的操控可使得物体122的移动方向基本平行于介质116的焦平面(即，移动方向垂直于超声波114的传播方向)。
与图9C相比，图9D中超声强度阱118和周边区域120被向左操控，从而也向左移动物体122。图9C和图9D中描绘的向左的方向可垂直于超声波114的传播方向。
如上文所述，超声波114可被聚焦到介质116的焦平面。物体122可被从介质116的周边区域指向超声超声强度阱118的声压梯度限制或移动。
在通过包括一个或多个换能器元件的声学换能器(例如，图2中的声学换能器210)发射超声波114实施例中，操控超声波114从而使物体122 位于超声强度阱118内可包括调整分别提供给一个或多个换能器元件的输入信号，如现有技术中已知的那样。这可包括超声波114被操控为以平行于介质116的焦平面的方向移动物体122的情形。
在其它实施例中，操控超声波114从而使物体122位于超声强度阱118 内可包括机械地调整声学换能器110，如现有技术中已知的那样。这可包括超声波114被操控为以平行于介质116的焦平面的方向移动物体122的情形。
图10示出了通过超声波114提供的机械力矩123旋转物体122。机械力矩123可为超声波114形成的周边区域120具有的旋转的压强梯度的产物。例如，由声学换能器210、声学透镜300或400形成的超声波114施加的渐进相移可产生旋转的压强梯度并向122施加机械扭矩123。物体122 可围绕超声强度阱118振动和/或移动，并偶尔接触周边区域120的内边缘，通过图10所示的机械扭矩123使物体122转动。尽管图10中物体以顺时针方向转动，但相对于介质116的焦平面以逆时针方向转动也是可能的。
此处公开了各个示例性的方面和示例性的实施例，对于本领域技术人员而言，其它方面和实施例是清楚的。此处公开的各个示例性的方面和示例性的实施例使为了说明的目的，而并非旨在被限制于此，真正的范围和精神由权利要求书限定。

Claims (15)

1.一种用于将超声波指向人体内的物体的装置，包括：
相控阵声学换能器，其包括布置在第一空间中的多个换能器元件；
一个或多个处理器；以及
存储指令的计算机可读介质，所述指令被所述一个或多个处理器执行时使所述声学换能器执行包括以下内容的功能：
将轴向地离开第一空间的超声波发射到介质中以形成(i)位于介质内的第二空间中的、具有第一声压范围的超声强度阱；以及(ii)介质的第二空间中的周边区域，其围绕所述超声强度阱且具有超过所述第一声压范围的第二声压范围，其中，所述第二空间从所述第一空间轴向地偏移；以及
通过所述超声强度阱与所述物体交互。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述计算机可读介质还包括使所述声学换能器执行通过移动所述超声强度阱来移动所述物体的功能的指令。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述计算机可读介质还包括使所述声学换能器执行限制所述物体的功能的指令。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个换能器元件围绕中心开口周向地布置。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述声学换能器包括中心开口。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述中心开口具有约11mm的直径。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述声学换能器具有约75mm的直径。
8.根据权利要求4所述的装置，其中，所述多个换能器元件包括m个元件，并且其中，每个换能器元件发射超声波中的一组份，该组份相对于相邻换能器元件相移2πL/m弧度，其中，L为非零整数。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述声学换能器被配置为发射频率在20kHz和10MHz之间的超声波。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述强度阱具有圆形形状。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一声压范围对应于0-0.3Mpa，并且其中，所述第二声压范围对应于0.3-0.7Mpa。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括透镜，所述透镜被配置为发射超声波，并且其中，所述透镜的厚度在超声波的方向上是不均匀的。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，发射超声波包括：
以第一方位角θ＝θ1将所述超声波的第一组份发射穿过声学透镜，其中，所述声学透镜向所述第一组份施加第一相移L*θ1，其中，L为非零整数；以及
以第二方位角θ＝θ2将所述超声波的第二组份发射穿过所述声学透镜，其中，所述声学透镜向所述第二组份施加第二相移L*θ2。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述声学透镜具有纵向变化的厚度，该厚度随着所述声学透镜的方位角的增加而成比例地增加。
15.根据权利要求13所述的装置，
其中，在所述第一方位角θ＝θ1处，所述声学透镜具有第一纵向厚度A*L*θ1+B，其中，A和B为非零正数，以及
其中，在所述第二方位角θ＝θ2处，所述声学透镜具有第二纵向厚度A*L*θ2+B。
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