CN113974682B - 基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法。将气泡阵列内每个气泡处的等效入射声波视为原入射平面波与周围气泡散射的基波的叠加同时仅计及一次、二次散射简化了计算过程，结合多重散射理论分别计算得到了基波及二次谐波的二维声场分布。引入气泡阵列内气泡半径随空间位置存在梯度分布的情形，通过合理地设置气泡阵列内不同位置处的气泡半径及入射频率，实现基波及二次谐波在气泡阵列内不同位置处的声聚焦。依据二次谐波声场在特定频率下的分布特征，设计了合适的气泡阵列气泡半径梯度及入射频率，实现了二次谐波在气泡阵列外不同位置处的声聚焦。

Description

基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法
技术领域
本发明属于超声波成像领域，尤其涉及一种基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法。
背景技术
目前常用的超声成像主要可分为：脉冲回波式成像、透射式成像、多普勒成像、弹性成像等，不同超声成像技术所使用的成像参量不同，其应用场景也各有不同。
超声成像技术在发展初期以线性声学原理为基础，然而从二十世纪九十年代开始，科学家们开始尝试利用声场中人体组织和超声造影剂的非线性效应产生的高次谐波来成像。与传统意义上的基波成像相比，高次谐波成像可以提高成像的分辨率，减少近场伪像，改善波束的聚焦效果，得到的人体组织图像的质量更好。但是由于非线性效应产生的高次谐波强度较弱，高次谐波成像的信噪比较低，同时由于高次谐波在人体组织中的衰减要比基波更加剧烈，因此高次谐波的穿透深度也相对不足。
超声造影剂作为强非线性源，可以显著提高高次谐波超声成像中谐波信号的强度，从而在保证成像质量的前提下提高信噪比。传统商用超声造影剂常选用气泡作为载体，但传统商用超声造影剂中的气泡半径随机分布，且不同气泡之间的间距无法控制。随着科技水平的发展，使用经过设计的具有特定气泡半径分布及气泡空间排布的人工气泡阵列取代传统超声造影剂，可以显著提高高次谐波信号的产生效率，并且可以实现在指定位置处的声能量聚焦。然而，由于人工气泡阵列中各气泡非线性振动情形及不同气泡之间的相互影响十分复杂，目前对于考虑多重散射情形下的人工气泡阵列非线性振动模型的计算，以及在此基础上设计特定气泡阵列参数的人工气泡阵列以实现特定位置处的声聚焦尚无较为成熟的方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法,以解决人工气泡阵列中各气泡非线性振动情形及不同气泡之间的相互影响十分复杂，没有成熟解决方法的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法，利用单气泡非线性振动及多重散射理论，通过对入射声场进行等效处理，构建了人工气泡阵列非线性振动下的多重散射模型，并据此设计的气泡阵列气泡半径梯度分布及入射频率，实现了基波及二次谐波在气泡阵列内不同位置处的声聚焦以及二次谐波在气泡阵列外指定位置处的声聚焦。
进一步的，将气泡阵列内每个气泡处的等效入射声波视为原入射平面波与周围气泡散射的基波的叠加同时仅计及一次、二次散射以简化计算过程。
进一步的，通过设计气泡半径梯度分布，将指定位置处的气泡半径设置为其对应的气泡非线性共振频率与入射频率相同，来实现在气泡阵列内指定位置处的基波及二次谐波声聚焦。
进一步的，在入射频率下，设置了沿y轴方向轴对称分布，沿x轴方向递增的气泡阵列气泡半径梯度分布，实现了在气泡阵列外特定位置处的二次谐波声聚焦。
本发明的基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法，具有以下优点：
本发明同时考虑了多重散射效应及非线性效应，对气泡阵列中不同位置处气泡的入射声波进行了等效处理，并将多重散射下气泡非线性振动产生的声波进行分类，减少了多重散射效应中需要考虑的因素，利用人工气泡阵列不同位置处气泡半径及不同气泡之间间距可控的特性，配合不同的入射声波频率，提出了实现指定位置处基波及二次谐波声聚焦的方法。此发明可用于气泡阵列内或气泡阵列外不同位置处的声聚焦，提升了在指定位置处的声聚焦效果，为高次谐波超声成像开辟了新的思路。
附图说明
图1为本发明的等效参数模型计算的二次谐波声压幅值随频率的变化图；
图2为本发明的多重散射模型计算的二次谐波声压幅值随频率的变化图；
图3(a)为本发明的入射声波圆频率为2×106rad./s时平面波入射到气泡半径存在梯度分布的气泡阵列非线性振动产生的基波声压幅值的二维分布图；
图3(b)为本发明的入射声波圆频率为4×106rad./s时平面波入射到气泡半径存在梯度分布的气泡阵列非线性振动产生的基波声压幅值的二维分布图；
图3(c)为本发明的入射声波圆频率为6×106rad./s时平面波入射到气泡半径存在梯度分布的气泡阵列非线性振动产生的基波声压幅值的二维分布图；
图3(d)为本发明的入射声波圆频率为8×106rad./s时平面波入射到气泡半径存在梯度分布的气泡阵列非线性振动产生的基波声压幅值的二维分布图；
图4(a)为本发明的入射声波圆频率为2×106rad/s时平面波入射到气泡半径存在梯度分布的气泡阵列非线性振动产生的二次谐波声压幅值的二维分布图；
图4(b)为本发明的入射声波圆频率为4×106rad/时平面波入射到气泡半径存在梯度分布的气泡阵列非线性振动产生的二次谐波声压幅值的二维分布图；
图4(c)为本发明的入射声波圆频率为6×106rad/s时平面波入射到气泡半径存在梯度分布的气泡阵列非线性振动产生的二次谐波声压幅值的二维分布图；
图4(d)为本发明的入射声波圆频率为8×106rad/s时平面波入射到气泡半径存在梯度分布的气泡阵列非线性振动产生的二次谐波声压幅值的二维分布图；
图5为发明特定频率下实现阵列外特定位置处二次谐波声聚焦的二次谐波声压幅值的二维分布；
图6为本发明气泡陈列聚焦示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法做进一步详细的描述。
一种基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法，利用单气泡非线性振动及多重散射理论，通过对入射声场进行等效处理，构建了人工气泡阵列非线性振动下的多重散射模型，并据此设计的气泡阵列气泡半径梯度分布及入射频率，实现了基波及二次谐波在气泡阵列内不同位置处的声聚焦以及二次谐波在气泡阵列外指定位置处的声聚焦。
其中将气泡阵列内每个气泡处的等效入射声波视为原入射平面波与周围气泡散射的基波的叠加同时仅计及一次、二次散射以简化计算过程。
通过设计气泡半径梯度分布，将指定位置处的气泡半径设置为其对应的气泡非线性共振频率与入射频率相同，来实现在气泡阵列内指定位置处的基波及二次谐波声聚焦。
在特定的入射频率下，设置了沿y轴方向轴对称分布，沿x轴方向递增的气泡阵列气泡半径梯度分布，实现了在气泡阵列外特定位置处的二次谐波声聚焦。
考虑一个i×j的气泡阵列，每个气泡所在的位置分别为(xij,yij)。假设不同位置处气泡原入射声波的声压幅值为p0(i,j)。根据上述简化过程，我们可以将不同位置处气泡的入射声波声压幅值视为：
Figure BDA0003329370080000051
由此我们可以得到不同位置处气泡散射的基波声场声压幅值的二维表达式为：
Figure BDA0003329370080000052
同理我们可以得到不同位置处气泡散射的二次谐波声场声压幅值的二维表达式为：
Figure BDA0003329370080000061
其中，i、j为气泡数，ω为入射频率，t为时间变量，
Figure BDA0003329370080000062
分别为单气泡下计算得到的散射基波及二次谐波的波数，dij,mn为不同气泡之间的间距，ρ0为水的密度，/>
Figure BDA0003329370080000063
R0为气泡初始半径，D为与不同位置处气泡半径相关的计算系数。
将得到的一固定位置处具有该等效非线性参量的均匀材料产生的二次谐波声压幅值与相同位置处多重散射模型下气泡阵列非线性振动产生的二次谐波声压幅值进行对比(图1和图2)，由图1和图2中可见，两种方法得到的不同频率下固定位置处的二次谐波声压幅值及其随频率变化趋势相同，由此可以证明多重散射模型的可靠性。
在此基础上，我们研究了气泡阵列内不同位置处气泡半径存在梯度分布情况下的基波及二次谐波声压幅值的二维分布特征。气泡阵列内气泡半径存在梯度分布的具体表达式为：
Figure BDA0003329370080000064
气泡间距为9.9μm，气泡阵列分布在x方向40-80μm，y方向40-80μm的区域内，入射声场选取为沿y方向传播的平面波，其具体表达式为：
p＝P1Aexp(-jk0y) (5)
其中，P1A＝5.4×104Pa。
得到了不同频率下声场中气泡阵列非线性振动产生的基波声压幅值的二维分布图像(图3)，由图3可见，在该气泡阵列参数条件下，随着入射声场圆频率的提高，基波声能量的聚焦位置逐渐向着远离x轴方向移动。在气泡半径存在梯度分布时，气泡半径对应的共振圆频率接近入射声场圆频率处将出现声聚焦现象。且由于较高频情形下大部分位置处气泡非线性振动产生的基波随传播距离衰减都比较剧烈，因此当入射声场圆频率为8×106rad./s时的声聚焦效果最好。
我们在相同条件下得到了不同频率下声场中气泡阵列非线性振动产生的二次谐波声压幅值的二维分布图像(图4)。当入射声波圆频率为2×106rad./s及4×106rad./s时，大部分气泡的共振圆频率远高于入射声波圆频率，此时二次谐波声压的峰值位置位于气泡阵列外。由图4可见，当入射声波圆频率为6×106rad./s及8×106rad./s时，二次谐波声能量聚焦于气泡阵列内气泡共振圆频率接近入射声波圆频率位置处。但与基波情形不同，其声能量峰值位置并非位于每个气泡中心，而是每个气泡周围。同时入射声波圆频率为6×106rad./s时的声聚焦效果要好于8×106rad./s时，这是由于入射声波圆频率为6×106rad./s时气泡阵列内的大部分气泡半径对应的共振圆频率更接近入射声场圆频率，非线性振动产生二次谐波峰值更高，且峰值出现位置更靠近气泡中心。至此我们发现通过合理地设置入射声波的频率以及气泡阵列内不同位置处气泡的半径，我们可以实现不同程度的基波和二次谐波在气泡阵列内不同位置处的声聚焦。同时，在入射声波圆频率为2×106rad./s时，二次谐波声压的峰值位于气泡阵列外，可以用以设计人工气泡阵列实现阵列后的声聚焦和声成像。
计算中，我们选取了5×5的气泡阵列，气泡半径的具体表达式为：
Figure BDA0003329370080000081
气泡阵列中气泡间距为9.9μm。气泡阵列分布在x方向40μm-80μm及y方向40μm-80μm的区域内。入射声场选取为沿y方向传播的平面波，其具体表达式为(5)，入射声波圆频率为2×106rad./s。得到的二次谐波声压幅值的二维分布如图5所示。由图5可见，在x方向上80μm之后的区域内产生了声聚焦现象。由此可以证明，通过合理地设置气泡阵列内不同位置处气泡的半径大小，配合以合适的入射频率，我们可以实现气泡阵列外不同位置处的二次谐波声聚焦。
如图6所示为本发明的气泡陈列聚焦示意图。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法，其特征在于，利用单气泡非线性振动及多重散射理论，将气泡阵列内每个气泡处的等效入射声波视为原入射平面波与周围气泡散射的基波的叠加同时仅计及一次、二次散射以简化计算过程，构建了人工气泡阵列非线性振动下的基波及二次谐波多重散射模型，得到了不同频率下声场中气泡阵列非线性振动产生的基波及二次谐波声压幅值的二维分布，并据此通过调整气泡阵列参数获得不同的声压场的二维分布，得到了气泡阵列气泡半径及入射频率对气泡阵列非线性振动下的基波及二次谐波声压幅值二维分布；通过设计气泡半径梯度分布，将指定位置处的气泡半径设置为其对应的气泡非线性共振频率与入射频率相同，来实现在气泡阵列内指定位置处的基波及二次谐波声聚焦；
在特定的入射频率下，设置了沿y轴方向轴对称分布，沿x轴方向递增的气泡阵列气泡半径梯度分布，实现了在气泡阵列外特定位置处的二次谐波声聚焦；
并据此设计气泡阵列气泡半径梯度分布及入射频率，在气泡阵列内气泡间距确定的情况下实现了基波及二次谐波在气泡阵列内不同位置处的声聚焦以及二次谐波在气泡阵列外指定位置处的声聚焦。
2.根据权利要求1所述的基于人工气泡阵列实现基波及二次谐波声聚焦方法，其特征在于，将气泡阵列内每个气泡处的等效入射声波视为原入射平面波与周围气泡散射的基波的叠加同时仅计算及一次、二次散射以简化计算过程。
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