CN113884173A - 一种高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法。该方法包括以下步骤：首先在低强度激励下，利用水听器测量聚焦超声换能器声场分布；其次根据聚焦超声换能器标称的几何尺寸进行数值计算；并微调数值计算中聚焦超声换能器的几何尺寸，使计算结果中的测量结果相吻合；由此分析得到非线性高次谐波相对相位量的变化规律；然后在高强度激励下，利用水听器测量得到焦点的信号；根据水听器的幅频响应，计算得到非线性谐波声压幅值；最后计算焦点峰值声压。本发明通过数值计算得到高强度聚焦超声焦点非线性谐波相对相位量，并结合水听器准确测量得到的非线性谐波声压幅值，得到高强度聚焦超声焦点峰值声压。
Description
技术领域
本发明涉及一种峰值声压定征方法，具体涉及高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法。
背景技术
高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是一种治疗实体良/恶性肿瘤的非侵入性新兴治疗技术，利用聚焦换能器将声能量集中聚焦至靶区，靶区治疗的声强可高达103W/cm2，能够在短时间内(秒级)使焦域组织凝固性坏死，而周围的正常组织不受损伤。
HIFU治疗精度要求很高，既要彻底地破坏靶区所有肿瘤组织，又不能过度治疗，损伤周围正常组织。高强度聚焦超声在人体组织中传播时，波形会发生非线性畸变，产生高次谐波，表现为正峰值声压和负峰值声压的差异等非线性现象。在HIFU治疗中，正峰值声压与热效应有关，负峰值声压影响空化效应。因此，为了保证HIFU治疗的安全性和有效性，一些重要的FDA和IEC法规中，要求必须给出HIFU治疗系统的正峰值声压和负峰值声压。
测量正峰值声压和负峰值声压需要已知水听器的幅频响应和相频响应。目前用来测量高强度聚焦超声的水听器，可通过校准得到水听器的幅频响应，尚不能得到水听器的相频响应。水听器相频响应虽然不会影响接收到的非线性超声信号的能量分布，但是会引起对非线性超声信号正峰值声压、负峰值声压的变化。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、在低强度激励下，利用水听器测量聚焦超声换能器声场分布；
步骤2、根据聚焦超声换能器标称的几何尺寸进行数值计算；
步骤3、微调数值计算中聚焦超声换能器的几何尺寸，使计算结果和步骤1中的测量结果相吻合；
步骤4、对调整后的聚焦超声换能器模型进行数值计算，分析得到非线性高次谐波相对相位量的变化规律；
步骤5、在高强度激励下，利用水听器测量得到聚焦超声换能器焦点处的信号；
步骤6、对水听器输出的信号进行处理，根据水听器的幅频响应，计算得到各次谐波声压幅值；
步骤7、根据步骤6得到的各次谐波声压幅值和步骤4中的相对相位量关系，计算焦点峰值声压。
所述低强度激励聚焦超声换能器，非线性项的数量级低于线性项的数量级，可忽略非线性效应的影响，在焦点处没有产生高次谐波，焦点处正峰值声压、负峰值声压相等。
所述高强度激励聚焦超声换能器，在焦点处产生高次谐波，波形发生非线性畸变，正峰值声压和负峰值声压不相等。
所述非线性高次谐波相对相位量的变化规律，通过对调整后的聚焦超声换能器模型进行计算，得到不同激励强度下的聚焦超声换能器焦点的声压波形，经零相位滤波信号处理，得到非线性高次谐波相对相位量的变化规律。其中相对相位量θi1＝θi-i*θ1，i为谐波阶数，θi为i次谐波的相位，θ1为基波的相位。
进一步地，所述水听器可为光纤水听器或鲁棒水听器，其幅频特性M(f)可通过互易法、激光干涉法或比较法校准得到，水听器用于测量得到高强度下聚焦超声换能器焦点处的非线性超声信号，通过频谱分析得到各频率下的电压幅值U(f)，并如下公式计算得到各频率下的声压幅值P(f)：
P(f)＝U(f)/M(f)
进一步地，取各次谐波频率下的声压幅值为Pi，则焦点声压可由下式计算得到：
其中Pi为各谐波成份的幅值，ω1、k1分别为基波角频率和波束，θi为各次谐波的相位，i为谐波阶数，t为时间，z为声轴方向坐标。通过上式可得焦点峰值声压。
本发明的有益效果在于：通过数值计算得到高强度聚焦超声焦点非线性谐波相对相位量，并结合水听器准确测量得到的非线性谐波声压幅值，计算得到高强度聚焦超声焦点峰值声压，在水听器相频响应未知的情况下，为高强度聚焦超声焦点峰值声压的测量提供了一种可借鉴的方式。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为低强度激励下，聚焦超声换能器声场分布；
图3为高强度激励下，计算得到焦点声压信号；
图4为焦点相对相位量的变化规律；
图5为高强度激励下，水听器输出的电信号；
图6为高强度激励下，焦点声压频谱分布；
图7为高强度激励下，联合计算得到焦点的声压信号。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的焦点峰值声压联合定征方法是利用水听器准确测量得到的非线性谐波幅值和数值计算得到的非线性谐波相对相位量，计算得到高强度聚焦超声焦点峰值声压。
图1为本发明实施例的流程图，如图所示，该方法包括以下步骤：
步骤1，在低强度激励下，利用水听器测量聚焦超声换能器声场分布。
具体地，聚焦超声换能器为凹球壳单阵元，轴对称，设定工作频率f＝0.5MHz并切换至猝发音模式，使其向水槽中发射声波，通过多自由度调节机构带动水听器对辐射声场进行扫描，得到换能器的声场分布，如图2虚线所示，图2(a)、2(b)分别为聚焦超声换能器的轴向和焦平面上声压分布，声压最大值处为焦点位置。
步骤2，根据聚焦超声换能器标称的几何尺寸进行数值计算。
具体地，建立聚焦超声换能器辐射声场有限元或有限差分数值计算模型，计算模型中换能器的曲率半径、开口半径为换能器的标称几何尺寸，并计算得到辐射声场分布，如图2实线所示。
步骤3，微调数值计算中聚焦超声换能器的几何尺寸，使计算结果和步骤1中的测量结果相吻合。
具体地，对步骤1和步骤2得到的声场分布，提取焦距、-3dB焦域尺寸声场特性参数进行比较，如图2所示。微调数值计算模型中聚焦超声换能器的曲率半径、开口半径，使得数值计算结果和测量结果吻合。
步骤4，对调整后的模型进行数值计算，分析得到非线性高次谐波相对相位量的变化规律。
具体地，对调整后的模型进行数值计算，得到焦点处的声波信号如图3(a)所示。焦点处的声波波形发生了明显畸变。正峰值声压为10.95MPa，负峰值声压为8.11MPa，正峰值声压远大于负峰值声压，且正峰值声压部分变尖，负峰值声压部分变缓。
对焦点处的声波信号进行零相位滤波处理，提取基波及各次谐波成份，如图3(b)所示，不失真地得到各谐波的初始相位信息，更高次的谐波由于能量较小已被忽略。
图4显示了不同激励强度下焦点处的相对相位量的变化曲线。随着激励强度的增加，二次谐波和三次谐波相对于基波的相对相位量基本保持不变，θ21近似为0.44π，θ31近似为0.91π。
步骤5，在高强度激励下，利用水听器测量得到聚焦超声换能器焦点的信号。
具体地，在高强度激励下，通过多自由度调节机构移动水听器至聚焦超声换能器的焦点位置，水听器输出的信号如图5所示。水听器输出的电信号，是焦点声压信号和水听器幅相特性共同作用的结果。虽然在高强度激励下，由于水听器幅相特性的影响，水听器输出电信号的正峰值电压与负峰值电压并未表现出明显的差异。
步骤6，对水听器输出的信号进行处理，根据水听器的幅频响应，计算得到非线性谐波声压幅值。
具体地，对图5所示的电信号进行频谱分析。水听器在基波、二次谐波和三次谐波处的灵敏度幅值分别为3.9mV/Mpa、4.4mV/Mpa和5.0mV/Mpa，计算得到各次谐波声压幅值如图6所示，基波声压幅值P1＝9.28MPa，二次谐波声压幅值P2＝1.39MPa，三次谐波声压幅值P3＝0.23Mpa，更高次的谐波由于能量较小已被忽略。
步骤7，根据步骤6得到的各次谐波声压幅值和步骤4中的相对相位量关系，计算焦点峰值声压。
具体地，根据步骤6测量得到的各次谐波声压幅值P1＝9.28MPa、P2＝1.39MPa、P3＝0.23MPa，步骤4计算得到的相位θ21近似为0.44π、θ31近似为0.91π，根据
计算得到焦点处的声波信号，如图7所示。
Claims (5)
1.一种高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、在低强度激励下，利用水听器测量聚焦超声换能器声场分布；
步骤2、根据聚焦超声换能器标称的几何尺寸进行数值计算；
步骤3、微调数值计算中聚焦超声换能器的几何尺寸，使计算结果和测量结果相吻合；
步骤4、对调整后的聚焦超声换能器模型进行数值计算，分析得到非线性高次谐波相对相位量的变化规律；
步骤5、在高强度激励下，利用水听器测量得到聚焦超声换能器焦点处的信号；
步骤6、对水听器输出的信号进行处理，根据水听器的幅频响应，计算得到各次谐波声压幅值；
步骤7、根据各次谐波声压幅值和相对相位量关系，计算焦点峰值声压。
2.根据权利要求1所述的一种高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法，其特征在于：步骤4具体是：通过对调整后的聚焦超声换能器模型进行数值计算，得到不同激励强度下的聚焦超声换能器焦点的声压波形，经零相位滤波信号处理，得到非线性高次谐波相对相位量的变化规律。
3.根据权利要求2所述的一种高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法，其特征在于：相对相位量θi1＝θi-i*θ1，i为谐波阶数，θi为i次谐波的相位，θ1为基波的相位。
4.根据权利要求1所述的一种高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法，其特征在于：步骤5中聚焦超声换能器焦点处的非线性超声信号，利用光纤水听器或鲁棒水听器进行测量。
5.根据权利要求3所述的一种高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法，其特征在于：步骤7中焦点声压信号p(t)计算如下：
其中Pi为各谐波成份的幅值，ω1、k1分别为基波角频率和波束，θi为各次谐波的相位，t为时间，z为声轴方向坐标。
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