CN117982167A - 基于微米造影剂的二次谐波聚焦器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微米造影剂的二次谐波聚焦器，包括阵列布设有若干短管孔洞的器件主体，设于所述器件主体两侧的外包膜，以及填充在所述短管孔洞内的造影剂；所述器件主体材料的声阻抗远大于造影剂的声阻抗；所述外包膜的声阻抗与造影剂的声阻抗相匹配；所述阵列布设的若干短管孔洞，由N个短管孔洞按一维方向设置成列，然后绕该一维成列的中心以360°/2（n+1）的角度旋转n次形成。本发明实现二次谐波的聚焦，同时在聚焦区域形成能够聚集造影剂的基波声阱（声阱是指：中间声场低，四周声场高），从而提高成像的二次谐波信号强度以及增强接收信号的稳定性，提高成像的分辨率与对比度。

Description

基于微米造影剂的二次谐波聚焦器

技术领域

本发明属于基于微米造影剂的二次谐波聚焦器件的结构设计技术领域。

背景技术

目前，超声波因为对人体安全无害等特点已被广泛运用于医学诊疗方面，一方面，人们可以利用超声波进行成像，而另一方面，超声波因其穿透血液组织屏障和高频能量高、控制精度相对较高的特点，可以直接利用高强度聚焦超声进行肿瘤治疗和药物输运的靶向治疗。随着技术的进步以及相关运用的需求提高，基于基波信号的传统成像方式逐渐无法满足医学诊疗的精度以及准确度等方面的需求，而二次谐波信号优于基波信号的分辨率可以辅助人们进行成像诊疗，获得更多被观测物体的细节信息。然而，目前二次谐波的信号激发形式还是利用组织或者注射物质的多重散射，在这种情况下，接收到的二次谐波信号强度较小，容易被其它强度更强的分频信号所掩盖，带来较差的成像对比度等问题，使得二次谐波为基础的高分辨率成像在运用实际上有所困难。研究发现，微泡在接近共振频率的声场的作用下可以带来强烈的非线性效应，利用这种特性，可以获得极强的二次谐波信号，而使用造影剂达到这一效果是目前临床上较为可行的增强二次谐波信号强度的方法。

此外，在利用超声成像的过程中，因信号能量的分散，在传播过程中容易受到组织影响而损失巨大，成像过程中会损失较大的对比度，这是基波和二次谐波都不可避免的，对二次谐波而言，这种损失还会带来信号的不稳定。一般而言，聚焦的信号可以很大程度上弥补这方面的损失。在相关理论和实验研究上发现，造影剂微泡会向着声场较低的位置处聚集，在接近微泡共振频率的声场作用下，聚集的造影剂可以获得更强的二次谐波信号。然而对于如何获得聚焦的二次谐波信号以及实现造影剂聚集的声场区域非常困难。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于微米造影剂的二次谐波聚焦器，本发明实现了二次谐波的增强与基波声阱(声阱是指：中间声场低，四周声场高)的形成，并达到实现超声二次谐波聚焦与超声基波能聚集造影剂的目的。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于微米造影剂的二次谐波聚焦器，包括阵列布设有若干短管孔洞的器件主体，设于所述器件主体两侧的外包膜，以及填充在所述短管孔洞内的造影剂；

所述器件主体材料的声阻抗大于造影剂的声阻抗的十倍；所述外包膜的声阻抗与造影剂的声阻抗的比值在0.8~4之间；

所述阵列布设的若干短管孔洞，由N个短管孔洞按一维方向设置成列，所述短管孔洞列绕其中心以的角度连续旋转n次形成，1<n<10。

作为优选方案，还包括入射声场发生器，所述入射声场发生器的发出的入射声场频率为f，并满足以下条件：

,

式中，表示造影剂的密度，/>为入射声场频率，/>表示造影剂中气体的多方指数，表示造影剂均衡半径；造影剂不破裂工作下，/>为气泡半径最小值，/>表示造影剂外包膜的弹性模量，/>表示造影剂中静压，j为虚数单位，/>表示造影剂的共振频率；

作为优选方案，所述入射声场发生器发出的经过短管孔洞的入射声场为近似平面波，且满足以下条件：

，

式中，K表示入射声场的非线性波数，表示入射声场基波的非线性波数，/>表示入射声场产生的二次谐波的非线性波数，/>表示造影剂的切变粘滞系数，j表示虚数单位，a为短管孔洞的半径。

作为优选方案，所述短管孔洞列上的短管孔洞的数量N为奇数。

有益效果：与现有技术相比，本发明利用该器件首先获得与发射信号相位一致的较强的激发形式的二次谐波声源，然后一维方向设计的线性阵列实现远场高方向性声场特性，在按设计要求旋转之后可以在三维方向上实现向前聚集声场的特性，实现发射一个聚焦的具有稳定的以及较强能量的二次谐波信号，同时可以获得一个可以聚集造影剂的基波声阱，在总体上提高了获取的二次谐波信号的强度以及稳定性；避免了二次谐波信号被其他信号淹没而无法实现其相应作用，为提高成像分辨率提供了解决方案；同时该技术还能利用基波信号的特点实现药物相关的输运以及靶向治疗，可以推广应用到医学超声的二次谐波成像以及药物输运相关的靶向治疗。

附图说明

图1是本发明所述基于微米造影剂的二次谐波聚焦器的原理图，其中：(a)表示单个短管孔洞情况下示意图；(b)是二次谐波聚焦器件在二维方向上周期排列上示意图；(c)是二次谐波聚焦器件工作示意图。

图2是本发明实施例中在入射声场频率为2MHz，有无超声造影剂时二次谐波幅度随传播距离的变化图：(a)是无造影剂情况下二次谐波幅度随传播距离变化图；(b)是有造影剂微泡群激励下二次谐波幅度随传播距离变化图。

图3是本发明实施例中在入射声场频率为2MHz时，有无超声造影剂下各声波分量的实验测量结果(信号幅值均进行归一化处理)：(a)是无造影剂声波分量的实验测量结果；(b)是有造影剂声波分量的实验测量结果。

图4是本发明实施例中在入射声场频率为2MHz，短管孔洞半径a为0.001m，相邻短管孔洞距离d为0.003m的器件作用下二次谐波幅值的空间归一分布图：(a)是理论计算的二次谐波幅值归一化空间分布图；(b)是实验测量下二次谐波幅值归一化分布图。

图5是本发明实施例中超声造影剂在模拟血管中声阱的聚集实验图。

图6是本发明实施例中入射声场频率为2MHz，短管孔洞半径a为0.001m，相邻短管孔洞距离d为0.003m时器件作用下实验测量基波振幅归一化下分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明是基于微米造影剂设计二次谐波聚焦器件，发明人首先将一定浓度的微米级别的造影剂溶液注射在设计好的短管孔洞之中，对比验证造影剂在短管孔洞中的造影剂在声场作用下能够获得一个比较强的二次谐波声源。而后利用该结构的基本特性设计能够实现二次谐波聚焦的器件，具体构成是：器件首先是在一维方向上设计，一维方向上排布一定数量(N)间隔距离为d的线性阵列短管孔洞，而后以阵列中心为旋转中心，经过两次旋转得到二维平面上的短管孔洞排布，每个短管孔洞大小一致，直径为2a,总的短管孔洞数目为3N-2,器件采用声阻抗与组织阻抗不匹配的材料。在此基础上，我们理论上验证了器件可以实现二次谐波聚焦的结果，进一步通过实验验证器件的聚焦性能，根据二次谐波增强的需要，推导了满足设计要求的相关参数需要满足的要求。

所设计的器件中的具体参数可以根据实际需求进行相应的调整，即参数可取范围并不局限于本发明所明确说明的参数数值；也可通过相应参数的调整使得在其它频段实现超声二次谐波增强，在特定位置处实现二次谐波聚焦以及形成基波声阱。具体结构详细描述如下：

本发明的基本结构是单个注满造影剂溶液的短管孔洞，如图1中的(a)所示，其中白色部分是注满造影剂孔洞，灰色窄带部分是声阻抗与溶液声阻抗匹配的薄膜材料，其厚度远小于短管长度，黑色部分是声阻抗远大于溶液声阻抗的材料，我们设水的密度为，入射声场频率为f，/>是水的切变粘滞系数，/>是造影剂中气体的多方指数，造影剂均衡半径为/>，造影剂不破裂工作下，/>为气泡半径最小值，x为造影剂外壳包膜弹性模量，/>为水中静压，j为虚数单位。本发明中，造影剂在入射声场的特定频率驱动下，振动产生二次谐波声源，在一维x方向上对造影剂微泡群振动方程进行数学求解可以得到二次谐波/>理论解，其结果如下：

,

其中A是二次谐波的声压的幅值，与/>分别为造影剂振动产生的基波和二次谐波的波数，而理论计算中造影剂的共振频率由下公式可以计算得到：

,

由于造影剂在共振频率声场之中会因为空化效应而破裂，因此在设计过程中选取接近的频率作为入射声场频率。

根据理论结果绘制如图2所示的二次谐波信号幅值随传播距离幅值的对比图，从图中可以看出造影剂的可以极大程度增强二次谐波信号强度，通过实验测量f=2MHz的声场作用下有归一化谐波振幅分布，如图3所示，可以看出二次谐波在有造影剂情况下极大增强。

在此基础上设计了图1中的(b)结构的器件，在每个短管孔洞中注满造影剂，用薄膜材料封闭，而后将器件嵌套在平面换能器探头上，如图1中的(c)所示，入射声波经过灰色矩形方块所示的器件后，可以在前方位置处实现二次谐波聚焦。其聚焦的原理是：单个短管孔洞在入射声场的激励下产生所需要的二次谐波声源，利用在一维方向设计的线性阵列实现远场高方向性声场特性，在按设计要求旋转之后可以在三维方向上实现向前聚集声场的特性，达到聚焦效果。在，/>情况下，每个短管空洞出来的二次谐波声源等效于点声源模式声场，通过利用一维二次谐波的解，进行数值计算可以得到如图4中的(a)的二次谐波聚焦结果，通过实验测量验证在短管孔洞半径a=0.001m,单列短管孔洞个数N=5, 相邻短管孔洞距离d=0.003m, 入射声场频率f=2MHz的情况下声场的情况，如图4中的(b)所示，实验结果显然可以验证该器件的二次谐波聚焦特性。

本发明中，为达到聚焦效果，此处经过孔洞的声场必须满足近似平面波，才能激发造影剂获得我们想要的二次谐波声场，我们定义参量：

,

根据水中非线性声场在管道中传播理论，只要设计结构满足，则能够保证进入短管孔洞的声场达到要求，器件才能有效。

实验发现，血管中的造影剂会在基波声阱的区域聚集，如图5所示，所设计器件可以产生这种声阱。根据二次谐波的聚焦特性以及声场能量分布的性质，可以证明在二次谐波聚焦区域处，基波能量会相对于周围非常低，其会在二次谐波聚焦的位置处形成一处基波声阱，根据实验测试，得到图6所示二次谐波聚焦位置处基波声压幅值的分布，图中的结果显然是器件所要求的基波声阱，器件显然有效。

本发明利用微米级别的造影剂的非线性效应机理实现二次谐波信号的增强，结合线性阵列相关的结构设计，实现二次谐波的聚焦，同时在聚焦区域形成能够聚集造影剂的基波声阱(声阱是指：中间声场低，四周声场高)，从而提高成像的二次谐波信号强度以及增强接收信号的稳定性，提高成像的分辨率与对比度。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于微米造影剂的二次谐波聚焦器，其特征在于：包括阵列布设有若干短管孔洞的器件主体，设于所述器件主体两侧的外包膜，以及填充在所述短管孔洞内的造影剂；

所述器件主体材料的声阻抗大于造影剂的声阻抗的十倍；所述外包膜的声阻抗与造影剂的声阻抗的比值在0.8~4之间；

所述阵列布设的若干短管孔洞，由N个短管孔洞按一维方向设置成短管孔洞列，所述短管孔洞列绕其中心以的角度连续旋转n次形成，1<n<10。

2.根据权利要求1所述基于微米造影剂的二次谐波聚焦器，其特征在于：还包括入射声场发生器，所述入射声场发生器的发出的入射声场频率为f，并满足以下条件：

,

式中，表示造影剂的密度，/>为入射声场频率，/>表示造影剂中气体的多方指数，/>表示造影剂均衡半径；造影剂不破裂工作下，/>为气泡半径最小值，/>表示造影剂外包膜的弹性模量，/>表示造影剂中静压，j为虚数单位，/>表示造影剂的共振频率。

3.根据权利要求2所述基于微米造影剂的二次谐波聚焦器，其特征在于：所述入射声场发生器发出的经过短管孔洞的入射声场为近似平面波，且满足以下条件：

，

式中，K表示入射声场的非线性波数，表示入射声场基波的非线性波数，/>表示入射声场产生的二次谐波的非线性波数，/>表示造影剂的切变粘滞系数，j表示虚数单位，a为短管孔洞的半径。

4.根据权利要求2所述基于微米造影剂的二次谐波聚焦器，其特征在于：所述短管孔洞列上的短管孔洞的数量N为奇数。