WO2022095155A1 - 一种操控方法及声镊装置 - Google Patents
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- G—PHYSICS
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- G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
- G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
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Definitions
- the double trap includes two focus points whose distances are less than a preset first distance threshold
- the simulated sound wave signal collected by the simulated transducer array component is obtained; the simulated transducer array component is based on Obtained by simulation of real transducer array components;
- the electronic system is caused to excite the real transducer array assembly to emit a second acoustic wave according to the corrected acoustic wave signal.
- the transducer array assembly is used to collect the sound wave signal emitted by the sound source at the first target position and after passing through the inhomogeneous medium, and provide the sound wave signal to the processor;
- the vortex sound trap includes at least four focal points whose positions are arranged along the circumference and whose phases vary along the circumference;
- the first sound wave is emitted by the sound source at the first target position, and after the first sound wave reaches the transducer array assembly through the non-uniform medium, the first sound wave is collected on the transducer array assembly.
- the acoustic signal was corrected by time-reversal method. Since the acoustic wave signal is corrected by the time inversion method, the transducer array assembly is excited to emit the second acoustic wave according to the corrected acoustic wave signal, and the second acoustic wave can form the expected capturing target object after passing through the inhomogeneous medium.
- the sound field is precisely focused on the first target position. Thus, it is advantageous to capture the target object.
- the technical solution of the present application can correct the attenuation and distortion caused by the non-uniformity of the medium during the propagation of the sound wave, thereby reducing the difficulty of manipulating the target object in the non-uniform medium and improving the control success rate.
- Fig. 6 is the realization principle diagram of the control method that Fig. 5 provides;
- focus point 1 is used to capture particle 1 and focus point 2 is used to capture particle 2.
- the calibration process is implemented by the aforementioned processor 201 .
- the phase can be corrected first, and then the amplitude can be corrected; or the amplitude can be corrected first, and then the phase can be corrected.
- the amplitude and phase of the signal can also be corrected simultaneously.
- the first sound wave needs to be emitted by the sound source at the first target position first.
- the sound source may be a real sound source.
- the first target position may not be convenient to place the real sound source.
- the present application also provides a manipulation method for realizing signal correction by means of simulation. The following description will be given in conjunction with the accompanying drawings and embodiments.
- the first target position is a three-dimensional space position that actually exists in the non-homogeneous medium.
- the simulated sound source is used to simulate the emission of sound waves, and the effect that the sound source is actually set and the first sound wave emitted by the real sound source propagates from the non-uniform medium is simulated.
- the acoustic wave signal (also referred to as a time-reversed signal in this embodiment) is used to excite the transducer array assembly to generate a second acoustic wave in the real scene, so as to achieve precise focusing in the real scene.
- the convenience of focusing operation is improved by simulation.
- Polymer particles include any of the following:
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Abstract
一种操控方法及声镊装置。第一声波是处于第一目标位置的声源发射的，并且在第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件(202)后，对换能器阵列组件(202)采集的声波信号以时间反演方法进行了校正。由于以时间反演方法对声波信号进行了校正，因此根据校正后的声波信号来激励换能器阵列组件(202)发射第二声波，第二声波能够在经过非均匀介质后形成了预期的捕捉目标对象的声场，精准地聚焦在第一目标位置。从而，有利于捕捉目标对象。可以校正声波传播过程中因介质的非均匀带来的衰减和畸变，从而降低了非均匀介质中对目标对象的操控难度，提升操控成功率。
Description
本申请要求于2020年11月3日提交中华人民共和国国家知识产权局、申请号为202011210593.6、申请名称为“一种操控方法及声镊装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
本申请涉及声操控技术领域，特别是涉及一种操控方法及声镊装置。
声镊可以通过在微粒上施加声辐射力来操控微粒。相比于光镊，声镊在单位输入能量下的辐射力远大于光镊。光速通常比声速大五个数量级，辐射力与强度除以波速的比值成正比，因此，相同强度下，声镊比起光镊具有更大的辐射力。进而，声镊可在更低的能量下捕捉相同尺寸的微粒，减少对微粒造成损伤的危险或者在相同能量下捕捉更大尺寸的微粒。例如，声镊可以实现对厘米级别粒子的操控。
应用声镊技术时，时常面对的环境较为复杂，需要捕捉和操控的目标对象处在非均匀介质中。在复杂环境中介质的非均匀使得声波传播时会产生衰减和畸变，很难在指定位置形成预期的声场。因此，导致非均匀介质中目标对象的操控难度提升，常无法成功操控目标对象。如何实现非均匀介质中的声操控已经成为本领域急需解决的技术问题。
发明内容
基于上述问题，本申请提供了一种操控方法及声镊装置，以降低声操控的难度，提升操控的成功率。
本申请实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本申请提供一种操控方法，包括：
获得第一目标位置的声源发射的第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，所述换能器阵列组件采集的声波信号；
根据时间反演方法对所述声波信号进行校正，得到校正后的声波信号；
将所述校正后的声波信号发送给电子系统，以使所述电子系统根据所述校正后的声波信号激励所述换能器阵列组件发射第二声波；所述第二声波用于在经过所述非均匀介质后于所述第一目标位置聚焦；所述电子系统与所述换能器阵列组件电连接，所述电子系统的通道与所述换能器阵列组件的阵元一一对应。
可选地，所述根据时间反演方法对所述声波信号进行校正，得到校正后的声波信号，具体包括：
根据时间反演方法对所述声波信号的相位和幅度分别进行校正，得到校正后的声波信号。
可选地，根据时间反演方法对所述声波信号的相位和幅度分别进行校正，得到校正后的声波信号，具体包括：
按照以下公式对所述换能器阵列组件中第i个阵元采集的声波信号Pi(t)进行相位校正：
Ri(t)＝Pi(T-t)；
所述T为所述声波信号Pi(t)的总时间长度，所述Ri(t)为所述声波信号Pi(t)经过相位校正后的声波信号；
按照以下公式对所述Ri(t)进行幅度校正：
Ri’(t)＝Ri(t)*Amax/Ai；
所述Ai为所述第i个阵元采集的声波信号的最大峰值，所述Amax为所述换能器阵列组件中所有阵元分别采集的声波信号的最大峰值之中的最大值；所述Ri’(t)为所述Ri(t)经过幅度校正后的声波信号；
所述将所述校正后的声波信号发送给电子系统，具体包括：
将所述Ri’(t)发送给电子系统中所述第i个阵元对应的通道。
可选地，方法还包括：
获得第二目标位置的声源发射的第三声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，所述换能器阵列组件采集的声波信号；
根据时间反演方法对该声波信号进行校正，得到该声波信号校正后的声波信号；
将该声波信号校正后的声波信号发送给电子系统，以使所述电子系统根据该声波信号校正后的声波信号激励所述换能器阵列组件发射第四声波；所述第四声波用于在经过所述非均匀介质后于所述第二目标位置聚焦；所述第一目标位置和所述第二目标位置为对目标对象的操控轨迹上两个不同的操控位置。
可选地，所述第二声波在所述第一目标位置聚焦后，聚焦点用以捕捉负声对比系数的目标对象。
可选地，方法还包括：以在所述第一目标位置聚焦相同的方式形成x-1个聚焦点；x个聚焦点之中的部分或全部聚焦点用于形成用以捕捉负声对比系数的目标对象或捕捉正声对比系数的目标对象的声阱；所述x为大于1的整数。
可选地，方法中，用以捕捉负声对比系数的目标对象的声阱为聚焦声阱，所述聚焦声阱包括至少两个聚焦点。
可选地，方法中，用以捕捉正声对比系数的目标对象的声阱为以下任意一种：
涡旋声阱、双阱或局部空心声阱；
所述涡旋声阱包括至少四个位置沿着圆周排列、相位沿着圆周间隔变化的聚焦点；
所述双阱包括两个距离小于预设第一距离阈值的聚焦点；
所述局部空心声阱包括前后、左右、上下分布的至少六个聚焦点。
可选地，在所述获得第一目标位置的声源发射的第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，所述换能器阵列组件采集的声波信号之前，所述方法还包括：
获得所述非均匀介质的三维图像；
根据所述三维图像中的图像数据对所述非均匀介质进行建模；
在建立的非均匀介质模型中与所述第一目标位置对应的位置设置虚拟声源；
所述获得第一目标位置的声源发射的第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，所述换能器阵列组件采集的声波信号，具体包括：
获得所述虚拟声源发射的第一仿真声波经过非均匀介质模型到达仿真换能器阵列组件后，所述仿真换能器阵列组件采集的仿真声波信号；所述仿真换能器阵列组件为依据真实换能器阵列组件仿真获得；
所述根据时间反演方法对所述声波信号进行校正，得到校正后的声波信号，具体包括：
根据时间反演方法对所述仿真声波信号进行校正，得到校正后的声波信号；
所述使所述电子系统根据所述校正后的声波信号激励所述换能器阵列组件发射第二声波，具体包括：
使所述电子系统根据所述校正后的声波信号激励所述真实换能器阵列组件发射第二声波。
可选地，所述换能器阵列组件包括一个换能器阵列或者包括多个换能器阵列，所述多个换能器阵列以预设空间组合方式组合。
可选地，所述声源为虚拟声源或者真实声源。
可选地，所述目标对象包括以下任意一种：
聚合物粒子、载药粒子、细胞、微纳米器件、液滴、微泡或动态生物体。
其中，所述聚合物粒子包括以下任意一种：
PDMS粒子、PS粒子、EPS粒子、PMMA粒子或玻璃球。
第二方面，本申请提供一种声镊装置，包括：
电子系统、换能器阵列组件和处理器，所述电子系统、所述换能器阵列组件和所述处理器两两连接；所述电子系统的通道与所述换能器阵列组件的阵元一一对应；
所述换能器阵列组件，用于将第一目标位置的声源发射且经过非均匀介质后的声波信号采集下来，并将所述声波信号提供给所述处理器；
所述处理器，用于根据时间反演方法对所述声波信号进行校正，得到校正后的声波信号；将所述校正后的声波信号发送给电子系统；
所述电子系统，用于根据所述校正后的声波信号激励所述换能器阵列组件发射第二声波；所述第二声波用于在经过所述非均匀介质后于所述第一目标位置聚焦。
可选地，所述处理器，具体用于根据时间反演方法对所述声波信号的相位和幅度分别进行校正，得到校正后的声波信号。
可选地，所述处理器，具体用于按照以下公式对所述换能器阵列组件中第i个阵元采集的声波信号Pi(t)进行相位校正：
Ri(t)＝Pi(T-t)；
所述T为所述声波信号Pi(t)的总时间长度，所述Ri(t)为所述声波信号Pi(t)经过相位校正后的声波信号；
所述处理器，具体用于按照以下公式对所述Ri(t)进行幅度校正：
Ri’(t)＝Ri(t)*Amax/Ai；
所述Ai为所述第i个阵元采集的声波信号的最大峰值，所述Amax为所述换能器阵列组件中所有阵元分别采集的声波信号的最大峰值之中的最大值；所述Ri’(t)为所述Ri(t)经过幅度校正后的声波信号；
所述处理器，具体用于将所述Ri’(t)发送给所述电子系统中所述第i个阵元对应的通道。
可选地，所述处理器，还用于以在所述第一目标位置聚焦相同的方式形成x-1个聚焦点；x个聚焦点之中的部分或全部聚焦点用于形成用以捕捉负声对比系数的目标对象或捕捉正声对比系数的目标对象的声阱；所述x为大于1的整数。
可选地，用以捕捉负声对比系数的目标对象的声阱为聚焦声阱，所述聚焦声阱包括至少两个聚焦点。
可选地，用以捕捉正声对比系数的目标对象的声阱为以下任意一种：
涡旋声阱、双阱或局部空心声阱；
所述涡旋声阱包括至少四个位置沿着圆周排列、相位沿着圆周间隔变化的聚焦点；
所述双阱包括两个距离小于预设第一距离阈值的聚焦点；
所述局部空心声阱包括前后、左右、上下分布的至少六个聚焦点。
可选地，所述换能器阵列组件包括一个换能器阵列或者包括多个换能器阵列，所述多个换能器阵列以预设空间组合方式组合。
可选地，所述声源为虚拟声源或者真实声源。
可选地，所述目标对象包括以下任意一种：
聚合物粒子、载药粒子、细胞、微纳米器件、液滴、微泡或动态生物体。
其中，所述聚合物例子包括以下任意一种：
PDMS粒子、PS粒子、EPS粒子、PMMA粒子或玻璃球。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请提供的操控方法中，第一声波是处于第一目标位置的声源发射的，并且在第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，对换能器阵列组件采集的声波信号以时间反演方法进行了校正。由于以时间反演方法对声波信号进行了校正，因此根据校正后的声波信号来激励换能器阵列组件发射第二声波，第二声波能够在经过非均匀介质后形成了预期的捕捉目标对象的声场，精准地聚焦在第一目标位置。从而，有利于捕捉目标对象。本申请技术方案可以校正声波传播过程中因介质的非均匀带来的衰减和畸变，从而降低了非均匀介质中对目标对象的操控难度，提升操控成功率。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种操控方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的操控方法的实现场景示意图；
图3为本申请实施例提供的一种单换能器阵列的换能器阵列组件示意图；
图4为本申请实施例提供的一种多换能器阵列的换能器阵列组件示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种操控方法的流程图；
图6为图5提供的操控方法的实现原理图；
图7A超声聚焦波束穿过颅骨时，不使用时间反演方法和形成声场的示意图；
图7B超声聚焦波束穿过颅骨时，使用时间反演方法形成声场的示意图；
图7C为本申请实施例提供的一种建模结果示意图；
图8为本申请实施例提供的一种捕捉PDMS粒子的效果示意图；
图9A为聚焦声阱的控制点示意图，XY平面声场仿真图，YZ平面声场仿真图；
图9B为涡旋声阱的控制点示意图，XY平面声场仿真图，YZ平面声场仿真图；
图9C为双阱的控制点示意图，XY平面声场仿真图，YZ平面声场仿真图；
图9D为局部空心声阱的控制点示意图，XY平面声场仿真图，YZ平面声场仿真图。
目前的声操控技术中，利用伪逆算法、迭代反向传播(iterative backpropagation,IB)算法等，可以在均匀介质空间上形成多个聚焦点声场。但是大部分物理学、生物医学实际应用场景中，声操控环境通常较为复杂，介质非均匀。介质的非均匀使得声波传播时会产生较大的畸变，导致很难在指定位置形成预期的声场。如果使用均匀介质中聚焦的发射参数在非均匀介质中进行聚焦，由于畸变的产生，聚焦点会发生离焦或者变形。现有的技术中由于缺少针对性的解决方案，因此无法解决非均匀介质中声波在幅度、相位等方面的畸变导致的操控困难的问题。
发明人经过研究，在本申请中提供了一种操控方法和声镊装置。本申请中，通过结合时间反演方法来校正因穿过非均匀介质引起的声波信号的畸变，可实现准确聚焦，从而实现在非均匀介质中的三维声镊。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
方法实施例
图1为本申请实施例提供的一种操控方法的流程图。图2为本申请实施例提供的该操控方法的实现场景示意图。图1所示的方法各步骤具体可以应用于图2中的处理器201上。如图2所示，处理器201连接换能器阵列组件202，并连接电子系统203。其中，换能器阵列组件202包括多个阵元，电子系统203还与换能器阵列组件202电连接。电子系统203的通道与换能器阵列组件202的阵元一一对应。
如图1所示，该操控方法包括：
步骤101：获得第一目标位置的声源发射的第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，换能器阵列组件采集的声波信号。
对目标对象进行操控时，通常需要产生多个聚焦点，通过多个聚焦点实现对目标对象的操控。此外，不同的聚焦点也可以实现对不同目标对象的捕捉。例如，聚焦点1用来捕捉粒子1，聚焦点2用来捕捉粒子2。
对于负声对比系数(声阻抗小于介质)的目标对象，依照本申请技术方案形成的每个聚焦点可用于捕捉目标对象。以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)粒子为例，负声对比系数的目标对象受到声辐射力的方向是由弱场位置指向强场位置，因此PDMS粒子能够被捕捉至多焦点声场中的焦点位置。在此场景中，第一目标位置可以是任意一个用来捕捉目标对象的聚焦点位置。
对于正声对比系数(声阻抗大于介质)的目标对象，正声对比系数的目标对象受到声 辐射力的方向是由强场指向弱场，依照本申请技术方案由多个聚焦点形成的具有弱场的声阱可用于捕捉目标对象。即便如此，为了捕捉目标对象，也需要首先形成多个准确的聚焦点。在此场景中，第一目标位置可以是任意一个用来形成弱场声阱的聚焦点位置。
目标对象可以为多种类型：可以是各类聚合物粒子，例如上述的PDMS粒子、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)粒子、聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene,EPS)粒子、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)粒子或玻璃球等；可以是细胞(例如干细胞、红细胞、循环肿瘤细胞)；可以是载药粒子、显像粒子、微纳米器件、液滴、微泡等；还可以是动态生物体(例如昆虫、鱼、虾等)。此处对目标对象的具体类型不做限定。
因为声波的传播过程在时间上具有可逆性，为了在第一目标位置实现聚焦，首先在第一目标位置设置声源。为便于区分，本申请实施例中第一目标位置处的声源产生的声波称为第一声波。
由于第一目标位置处于复杂环境的非均匀介质中，因此声源发出的第一声波从第一目标位置传播至换能器阵列组件202也需要经过上述非均匀介质。以换能器阵列组件202采集声波信号，由于换能器阵列组件202与处理器201连接，因此可以将采集到的声波信号传输给处理器201。
在本申请技术方案中，换能器阵列组件202可以包括一个换能器阵列，如图3所示；换能器阵列组件202也可以包括多个空间中排布的换能器阵列，如图4所示。图3和图4中的换能器阵列是二维平面阵列，实际应用中可以根据实际需求选用其他形式的换能器阵列，例如线阵、弧面阵列或环形阵列等。多个换能器阵列以预设空间组合方式组合，例如图4所示的方式组合。此处对换能器阵列组件202中不同换能器阵列的夹角不做具体限制。
换能器阵列组件202中每个换能器阵列均包括多个阵元。每个阵元可以分别采集声波信号，相邻阵元采集的声波信号的幅度可能相同也可能不同。每个阵元对应于电子系统203中一个不同的通道。电子系统203具体是个多通道的激励系统，通过通道与阵元的一对一连接可以实现对每个阵元的独立控制。
本申请实施例中，对于换能器阵列的各项参数不限定，可以根据各种不同的应用环境选定不同的频率、阵元数、阵元间距、阵元分布方案等的阵列。例如，换能器阵列的频率为1.04MHz，阵元按照16×16二维排布。
步骤102：根据时间反演方法对声波信号进行校正，得到校正后的声波信号。
本步骤中，可以根据时间反演方法对每个阵元采集的声波信号的相位和幅度分别进行校正，得到每个阵元对应的校正后的声波信号。
下面提供本步骤的一种示例实现方式。在下面的介绍中，以换能器阵列组件202中的第i个阵元采集的声波信号为例介绍校正过程。
假设第i个阵元采集的声波信号为Pi(t)，其中t代表时间，按照以下公式对Pi(t)进行相位校正：
Ri(t)＝Pi(T-t) 公式(1)
公式(1)中，T为声波信号Pi(t)的总时间长度，Ri(t)为声波信号Pi(t)经过相位校正后的声波信号。
其后，对经过相位校正后的声波信号Ri(t)进行幅度校正。幅度校正的公式如下：
Ri’(t)＝Ri(t)*Amax/Ai 公式(2)
公式(2)中，Ai为第i个阵元采集的声波信号的最大峰值，Amax为换能器阵列组件中所有阵元分别采集的声波信号的最大峰值之中的最大值。可以理解的是，信号的最大峰值即为该信号的最大幅度。Ri’(t)为Ri(t)经过幅度校正后的声波信号。
对于第i个阵元采集的声波信号，其最大峰值Ai越大即表示声波在非均匀介质中传播过程中衰减越少，其最大峰值Ai越小即表示声波在非均匀介质中传播过程中衰减越多。Ri’(t)的幅度与Ai成反比，即衰减越少，校正后的信号幅度越小；衰减越多，校正后的信号幅度越大。
校正过程由前述的处理器201实现。实际应用中，可以先校正相位，后校正幅度；也可以先校正幅度，后校正相位。在其他实现方式中，还可以同时对信号的幅度和相位进行校正。
步骤103：将校正后的声波信号发送给电子系统，以使电子系统根据校正后的声波信号激励换能器阵列组件发射第二声波；第二声波用于在经过非均匀介质后于第一目标位置聚焦。
在前述步骤102中以换能器阵列组件202的第i个阵元为例，介绍了对其采集的声波信号的校正过程。可以理解的是，对于每个阵元均可依照步骤102基于时间反演方法获得其对应的校正后的声波信号。依照前文提供的示例，本步骤103处理器201即可将Ri’(t)发送给电子系统203中第i个阵元对应的通道。假设阵元的编号与通道的编号统一，则Ri’(t)发送给电子系统203的第i个通道。
处理器201可以在每个阵元的声波信号校正后一一发送给电子系统203，另外也可以在校正处理完所有阵元的声波信号后统一发送给电子系统。信号发送给电子系统203后，电子系统203即可根据校正后的声波信号激励换能器阵列组件202发射第二声波。例如，电子系统203根据Ri’(t)激励第i个阵元发送声波，各个阵元发送的声波汇集称为第二声波。区别于第一声波，第一声波是由第一目标位置的声源发射，第二声波则由换能器阵列组件202发射。
以上即为本申请实施例提供的操控方法。第一声波是处于第一目标位置的声源发射的，并且在第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，对换能器阵列组件采集的声波信号以时间反演方法进行了校正。由于以时间反演方法对声波信号进行了校正，因此根据校正后的声波信号来激励换能器阵列组件发射第二声波，第二声波能够在经过非均匀介质后形成了预期的声场，精准地聚焦在第一目标位置。从而，有利于捕捉目标对象。具体地，如果目标对象是负声对比系数的目标对象，则第二声波可用于聚焦至第一目标位置后将目标对象捕捉至第一目标位置。如果目标对象是正声对比系数的目标对象，则第二声波可用于聚焦至由第一目标位置的聚焦点后，由多个聚焦点形成包含弱场的声阱，并将目标对象准确捕捉至声阱中。本申请技术方案可以校正声波传播过程中因介质的非均匀带来的衰减和畸变，从而降低了非均匀介质中对目标对象的操控难度，提升操控成功率。
本申请实施例提供的操控方法实现了非均匀介质中的多点聚焦，由于以时间反演方法对声波信号进行了校正，因此能够以第二声波形成更加精准的聚焦点，不再出现离焦或焦点变形的问题，以汇集的声辐射力提升对目标对象的控制效果。在前文中介绍过，换能器 阵列组件可以包括以预设空间组合方式组合的多个换能器阵列。相比于单个换能器阵列，拥有多个换能器阵列的换能器阵列组件的阵元数量增多，且空间覆盖范围更加广，对第一声波的采集更加细致、准确，从而在对声波信号校正后，聚焦效果也相应地提升。例如，聚焦点更加小，更加精准。
与前述实施例中步骤101-103类似地，还可以执行下述步骤：
获得第二目标位置的声源发射的第三声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，换能器阵列组件采集的声波信号；根据时间反演方法对该声波信号进行校正，得到该声波信号校正后的声波信号；将该声波信号校正后的声波信号发送给电子系统，以使电子系统根据该声波信号校正后的声波信号激励换能器阵列组件发射第四声波；第四声波用于在经过非均匀介质后于第二目标位置聚焦。
其中，第一目标位置和第二目标位置为对目标对象的操控轨迹上两个不同的操控位置(聚焦点)。例如，第一目标位置和第二目标位置可以是操控轨迹上的相邻两个操控位置。由于在第一目标位置和第二目标位置分别聚焦，因此可以控制目标物体沿第一目标位置移动至第二目标位置。操控轨迹上可以包括多个操控位置，以上仅以两个为示例进行描述。不同操控位置的聚焦均可依照前述步骤101-103实现。
以上实施例中提供的非均匀介质中实现的对目标物体的操控的方法，实现了三维声镊。
本申请技术方案提供的操控方法，可以应用在诸多的技术领域，实现对目标对象的精准操控。下面提供一些示例场景。
例如，本申请技术方案可以应用在体内靶向给药(如在活体的血管、大脑等操控载药粒子到达目标病变部位)、微型手术机器人控制(如在活体的胃部，眼内，肾脏等部位非接触操控手术机器人，完成相关手术操作)、精密化学反应控制(如在体或复杂环境中，非接触操控不同化学物质或液滴等发生反应)、微纳米尺度精密加工(如在体或复杂环境中，非接触操控一些微纳米结构或器件，进行组装、平移等操作)、三维全息显示(如通过超快速操控多个可以显像的粒子移动，在复杂介质中实现三维显示)、水下远距离涡旋通讯(如通过复用不同拓扑阶数的涡旋声场，在海洋环境中，长距离操控微粒显示图案进行通讯)等方面加以应用。
非均匀介质可能包括人体骨骼(例如颅骨)，肌肉皮肤组织，器官，血管，或者包括挡板等障碍物。
根据前文介绍的实施例可知，为实现声波信号的校正，首先需要由第一目标位置的声源发射第一声波。该声源可以是真实声源。另外，在实际应用中，第一目标位置可能并不便于放置真实声源。为解决此问题，本申请还提供了一种借助仿真手段实现信号校正的操控方法。下面结合附图和实施例加以说明。
参见图5，该图为本申请实施例提供的另一种操控方法的流程图。图6为图5提供的操控方法的实现原理图。
如图5所示，该操控方法包括：
步骤501：获得非均匀介质的三维图像。
在本申请实施例中，处理器可以通过与三维图像生成设备连接，从而获得非均匀介质的三维图像。此处，三维图像生成设备可以是CT设备，MR设备或者X线机等。对于三 维图像的具体形式不做限制。
步骤502：根据三维图像中的图像数据对非均匀介质进行建模。
在前一步骤中获得了非均匀介质的三维图像。可以根据其图像中包含的图像数据对该非均匀介质进行建模。在一种可能的实现方式中，将图像数据中非均匀介质各像素点的相对位置和对应的声速和密度信息等输入到仿真软件中，以仿真软件对非均匀介质建模。
依据三维图像的形式不同，图像数据也是不同的。例如，如果三维图像是CT设备生成的，则图像数据包括CT值。作为示例，仿真软件可以是COMSOL、k-wave(Matlab工具包)等可仿真声场的软件。
作为本步骤的一种可能的实现方式，假设非均匀介质包括颅骨，则可以利用CT对整个实验架构进行扫描，得到包含颅骨信息的三维CT图像，将图像数据中各位置的CT值对应的颅骨声速和密度输入仿真软件。如，由于颅骨的不同位置对X射线的衰减系数不同，所以得到图像各个像素点的CT值不同。一般情况下，越接近水性质的位置，其对于X射线的衰减较小，CT值较大，越接近骨头性质的位置，其对于X射线的衰减较大，CT值较小。因此，可以在CT扫描中设置线性对应关系，CT最大值对应水的声速和密度，CT最小值对应颅骨声速和密度。以此类推。
步骤503：在建立的非均匀介质模型中与第一目标位置对应的位置设置虚拟声源。
可以理解的是，第一目标位置为真实存在于非均匀介质中的三维空间位置。为了实现对仿真声波的采集，需要在步骤502建立的非均匀介质模型中，与该真实的第一目标位置对应的位置设置虚拟声源。从而以该仿真声源仿真发射声波，模拟真实设置声源且真实声源发射的第一声波从非均匀介质中传播的效果。
在前文建模过程中还可以通过扫描真实的换能器阵列组件来建立与其对应的仿真的换能器阵列组件。仿真换能器阵列组件为依据真实换能器阵列组件仿真获得，参数、性能等一致。
步骤504：获得所述虚拟声源发射的第一仿真声波经过非均匀介质模型到达仿真换能器阵列组件后，所述仿真换能器阵列组件采集的仿真声波信号。
步骤505：根据时间反演方法对所述仿真声波信号进行校正，得到校正后的声波信号。
步骤506：将校正后的声波信号发送给电子系统，以使所述电子系统根据所述校正后的声波信号激励所述真实换能器阵列组件发射第二声波；第二声波用于在经过非均匀介质后于第一目标位置聚焦。
步骤504-506的实现方式与前述实施例中步骤101-103基本相同，区别仅在于校正针对的声波信号具体为每个仿真换能器阵列组件中的仿真阵元采集的仿真声波信号。在本实施例中步骤504-506的实现过程不再赘述，可参照前述实施例。
超声聚焦波束穿过颅骨时，不使用时间反演方法和使用时间反演方法形成声场的示意图分别如图7A和图7B所示。如图7A，不使用时间反演算法时，能够均匀介质中聚焦的波束在穿过颅骨后发生离焦或者焦点变形，从而无法捕捉PDMS粒子。如图7B，使用时间反演算法时，波束穿过颅骨发生的畸变得以校正，穿过颅骨也可以形成精准聚焦点，从而可以穿过颅骨捕捉住PDMS粒子。
利用CT扫描等三维成像方式对整个实验构架进行扫描，在k-wave等仿真软件中对整 个实验框架进行建模，其建模结果如图7C所示。将通过时间反演方法得到的校正后的声波信号应用在实验中，实验验证：达到了穿过颅骨捕捉PDMS粒子的效果，如图8。
通过上述仿真，可以在不便于放置真实声源的应用场景中通过构建非均匀介质模型并设置虚拟声源，获得仿真声波信号，并基于仿真声波信号校正幅度和相位，如此也能够得到校正后的声波信号(在本实施例中又可称为时间反演信号)，用以激发换能器阵列组件在真实场景中产生第二声波，实现真实场景下的精准聚焦。通过仿真提升了聚焦操作的便利性。
在前文中介绍，可以依照实施例描述的操控方法形成多个聚焦点，在不同的目标位置实现准确聚焦，下面对形成的声阱的实现方式进行描述。需要说明的是，声阱可以是对称的，也可以是非对称的。
(1)聚焦声阱包括至少两个聚焦点。每个聚焦点是一个声阱。
(2)涡旋声阱包括至少四个位置沿着圆周排列、相位沿着圆周间隔变化的聚焦点。
假设涡旋声阱包括八个聚焦点，因此看作是由八个聚焦点围绕中心位置圆周排列而成，其中，八个聚焦点的相位沿着圆周以π*m/8(m为涡旋的拓扑阶数)的间隔变化。形成的涡旋声阱是中心的强度为0，周围被一个强度环包围的声阱。八个聚焦点的强度可以相同，形成对称涡旋，强度也可不同，形成非对称涡旋。
(3)双阱包括两个距离较近(距离小于预设第一距离阈值)的聚焦点。每一个双阱都可以看作是由两个相对排布的，距离较近的聚焦点组成。两个强度较高的聚焦点夹持着中间空心区域，形成双阱。两个聚焦点的强度可以相同也可以不同。
其中，预设第一距离阈值可以根据实际需求进行设定，例如根据目标对象的大小设定不同的预设第一距离阈值。作为示例，预设第一距离阈值为声波波长的2至3倍。
(4)局部空心声阱包括前后、左右、上下分布的至少六个聚焦点。在中心区域形成一个空心的声阱。这些聚焦点的强度可以相同也可以不同。
在本申请技术方案中，通过控制真实声源或者仿真声源的发射的声波强度分布，即可保证形成的多个聚焦点的强度分布。此外，对于形成涡旋声阱，要求多个聚焦点的相位存在差别，可以通过控制不同位置的真实声源或者仿真声源发射第一声波的时间存在间隔变化，即可保证形成的多个聚焦点的相位差异。
当目标物体被捕捉后，通过实时改变聚焦声阱、涡旋声阱、双阱或局部空心声阱的位置，实现对目标对象的三维操控。
需要说明的是，在本申请技术方案中，依照前述操控方法形成的声阱不局限于聚焦声阱、涡旋声阱、双阱、局部空心声阱等，还可以是可以操控正、负声对比系数目标对象的任意声阱。
图9A从左向右分别是聚焦声阱的控制点示意图，XY平面声场仿真图，YZ平面声场仿真图。图9B从左向右分别是涡旋声阱的控制点示意图，XY平面声场仿真图，YZ平面声场仿真图。图9C从左向右分别是双阱的控制点示意图，XY平面声场仿真图，YZ平面声场仿真图。图9D从左向右分别是局部空心声阱的控制点示意图，XY平面声场仿真图，YZ平面声场仿真图。
基于前述实施例提供的操控方法，相应地，本申请还提供一种声镊装置。以下结合实施例和附图进行说明。
装置实施例
图2示意了一种声镊装置的结构，该声镊装置包括了图2场景中的处理器201、换能器阵列组件202和电子系统203。
电子系统203、换能器阵列组件202和处理器201两两连接；电子系统203的通道与换能器阵列组件202的阵元一一对应；
换能器阵列组件202，用于将第一目标位置的声源发射且经过非均匀介质后的声波信号采集下来，并将声波信号提供给处理器201；
处理器201，用于根据时间反演方法对声波信号进行校正，得到校正后的声波信号；将校正后的声波信号发送给电子系统203；
电子系统203，用于根据校正后的声波信号激励换能器阵列组件202发射第二声波；第二声波用于在经过非均匀介质后于第一目标位置聚焦。
本申请技术方案可以校正声波传播过程中因介质的非均匀带来的衰减和畸变，从而降低了非均匀介质中对目标对象的操控难度，提升操控成功率。
在一种可能的实现方式中，处理器201具体用于根据时间反演方法对声波信号的相位和幅度分别进行校正，得到校正后的声波信号。
在一种可能的实现方式中，处理器201具体用于按照以下公式对换能器阵列组件中第i个阵元采集的声波信号Pi(t)进行相位校正：
Ri(t)＝Pi(T-t)；
T为声波信号Pi(t)的总时间长度，Ri(t)为声波信号Pi(t)经过相位校正后的声波信号；
处理器201，具体用于按照以下公式对Ri(t)进行幅度校正：
Ri’(t)＝Ri(t)*Amax/Ai；
Ai为第i个阵元采集的声波信号的最大峰值，Amax为换能器阵列组件中所有阵元分别采集的声波信号的最大峰值之中的最大值；Ri’(t)为Ri(t)经过幅度校正后的声波信号；
处理器201，具体用于将Ri’(t)发送给电子系统中第i个阵元对应的通道。
可选地，处理器201，还用于以在第一目标位置聚焦相同的方式形成x-1个聚焦点；x个聚焦点之中的部分或全部聚焦点用于形成用以捕捉负声对比系数的目标对象或捕捉正声对比系数的目标对象的声阱；x为大于1的整数。
可选地，用以捕捉负声对比系数的目标对象的声阱为聚焦声阱，聚焦声阱包括至少两个聚焦点。
可选地，用以捕捉正声对比系数的目标对象的声阱为以下任意一种：
涡旋声阱、双阱或局部空心声阱；
涡旋声阱包括至少四个位置沿着圆周排列、相位沿着圆周间隔变化的聚焦点；
双阱包括两个距离小于预设第一距离阈值的聚焦点；
局部空心声阱包括前后、左右、上下分布的至少六个聚焦点。
在一种可能的实现方式中，换能器阵列组件202包括一个换能器阵列或者包括多个换能器阵列，多个换能器阵列以预设空间组合方式组合。
在一种可能的实现方式中，声源为虚拟声源或者真实声源。
在一种可能的实现方式中，声镊装置的目标对象包括以下任意一种：
聚合物粒子、载药粒子、细胞、微纳米器件、液滴、微泡或动态生物体。
聚合物粒子包括以下任意一种：
PDMS粒子、PS粒子、EPS粒子、PMMA粒子或玻璃球。
可选地，处理器201还用于获得第二目标位置的声源发射的第三声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，换能器阵列组件采集的声波信号；根据时间反演方法对该声波信号进行校正，得到该声波信号校正后的声波信号；将该声波信号校正后的声波信号发送给电子系统，以使电子系统根据该声波信号校正后的声波信号激励换能器阵列组件发射第四声波；第四声波用于在经过非均匀介质后于第二目标位置聚焦；第一目标位置和第二目标位置为对目标对象的操控轨迹上两个不同的操控位置。
可选地，处理器201还用于获得非均匀介质的三维图像；根据三维图像中的图像数据对非均匀介质进行建模；在建立的非均匀介质模型中与第一目标位置对应的位置设置虚拟声源；
在此实现方式中，处理器201具体用于获得虚拟声源发射的第一仿真声波经过非均匀介质模型到达仿真换能器阵列组件后，仿真换能器阵列组件采集的仿真声波信号；仿真换能器阵列组件为依据真实换能器阵列组件仿真获得；根据时间反演方法对仿真声波信号进行校正，得到校正后的声波信号；使电子系统根据校正后的声波信号激励真实换能器阵列组件发射第二声波。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (23)
- 一种操控方法，其特征在于，包括：获得第一目标位置的声源发射的第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，所述换能器阵列组件采集的声波信号；根据时间反演方法对所述声波信号进行校正，得到校正后的声波信号；将所述校正后的声波信号发送给电子系统，以使所述电子系统根据所述校正后的声波信号激励所述换能器阵列组件发射第二声波；所述第二声波用于在经过所述非均匀介质后于所述第一目标位置聚焦；所述电子系统与所述换能器阵列组件电连接，所述电子系统的通道与所述换能器阵列组件的阵元一一对应。
- 根据权利要求1所述的操控方法，其特征在于，所述根据时间反演方法对所述声波信号进行校正，得到校正后的声波信号，具体包括：根据时间反演方法对所述声波信号的相位和幅度分别进行校正，得到校正后的声波信号。
- 根据权利要求2所述的操控方法，其特征在于，根据时间反演方法对所述声波信号的相位和幅度分别进行校正，得到校正后的声波信号，具体包括：按照以下公式对所述换能器阵列组件中第i个阵元采集的声波信号Pi(t)进行相位校正：Ri(t)＝Pi(T-t)；所述T为所述声波信号Pi(t)的总时间长度，所述Ri(t)为所述声波信号Pi(t)经过相位校正后的声波信号；按照以下公式对所述Ri(t)进行幅度校正：Ri’(t)＝Ri(t)*Amax/Ai；所述Ai为所述第i个阵元采集的声波信号的最大峰值，所述Amax为所述换能器阵列组件中所有阵元分别采集的声波信号的最大峰值之中的最大值；所述Ri’(t)为所述Ri(t)经过幅度校正后的声波信号；所述将所述校正后的声波信号发送给电子系统，具体包括：将所述Ri’(t)发送给电子系统中所述第i个阵元对应的通道。
- 根据权利要求1-3任一项所述的操控方法，其特征在于，还包括：获得第二目标位置的声源发射的第三声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，所述换能器阵列组件采集的声波信号；根据时间反演方法对该声波信号进行校正，得到该声波信号校正后的声波信号；将该声波信号校正后的声波信号发送给电子系统，以使所述电子系统根据该声波信号校正后的声波信号激励所述换能器阵列组件发射第四声波；所述第四声波用于在经过所述非均匀介质后于所述第二目标位置聚焦；所述第一目标位置和所述第二目标位置为对目标对象的操控轨迹上两个不同的操控位置。
- 根据权利要求1-3任一项所述的操控方法，其特征在于，所述第二声波在所述第一目标位置聚焦后，聚焦点用以捕捉负声对比系数的目标对象。
- 根据权利要求1-3任一项所述的操控方法，其特征在于，还包括：以在所述第一目标位置聚焦相同的方式形成x-1个聚焦点；x个聚焦点之中的部分或全部聚焦点用于形成用 以捕捉负声对比系数的目标对象或捕捉正声对比系数的目标对象的声阱；所述x为大于1的整数。
- 根据权利要求6所述的操控方法，其特征在于，用以捕捉负声对比系数的目标对象的声阱为聚焦声阱，所述聚焦声阱包括至少两个聚焦点。
- 根据权利要求6所述的操控方法，其特征在于，用以捕捉正声对比系数的目标对象的声阱为以下任意一种：涡旋声阱、双阱或局部空心声阱；所述涡旋声阱包括至少四个位置沿着圆周排列、相位沿着圆周间隔变化的聚焦点；所述双阱包括两个距离小于预设第一距离阈值的聚焦点；所述局部空心声阱包括前后、左右、上下分布的至少六个聚焦点。
- 根据权利要求1-3任一项所述的操控方法，其特征在于，在所述获得第一目标位置的声源发射的第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，所述换能器阵列组件采集的声波信号之前，所述方法还包括：获得所述非均匀介质的三维图像；根据所述三维图像中的图像数据对所述非均匀介质进行建模；在建立的非均匀介质模型中与所述第一目标位置对应的位置设置虚拟声源；所述获得第一目标位置的声源发射的第一声波经过非均匀介质到达换能器阵列组件后，所述换能器阵列组件采集的声波信号，具体包括：获得所述虚拟声源发射的第一仿真声波经过非均匀介质模型到达仿真换能器阵列组件后，所述仿真换能器阵列组件采集的仿真声波信号；所述仿真换能器阵列组件为依据真实换能器阵列组件仿真获得；所述根据时间反演方法对所述声波信号进行校正，得到校正后的声波信号，具体包括：根据时间反演方法对所述仿真声波信号进行校正，得到校正后的声波信号；所述使所述电子系统根据所述校正后的声波信号激励所述换能器阵列组件发射第二声波，具体包括：使所述电子系统根据所述校正后的声波信号激励所述真实换能器阵列组件发射第二声波。
- 根据权利要求1-3任一项所述的操控方法，其特征在于，所述换能器阵列组件包括一个换能器阵列或者包括多个换能器阵列，所述多个换能器阵列以预设空间组合方式组合。
- 根据权利要求1-3任一项所述的操控方法，其特征在于，所述声源为虚拟声源或者真实声源。
- 根据权利要求6所述的操控方法，其特征在于，所述目标对象包括以下任意一种：聚合物粒子、载药粒子、细胞、微纳米器件、液滴、微泡或动态生物体。
- 根据权利要求12所述的操控方法，其特征在于，所述聚合物粒子包括以下任意一种：PDMS粒子、PS粒子、EPS粒子、PMMA粒子或玻璃球。
- 一种声镊装置，其特征在于，包括：电子系统、换能器阵列组件和处理器，所述电子系统、所述换能器阵列组件和所述处 理器两两连接；所述电子系统的通道与所述换能器阵列组件的阵元一一对应；所述换能器阵列组件，用于将第一目标位置的声源发射且经过非均匀介质后的声波信号采集下来，并将所述声波信号提供给所述处理器；所述处理器，用于根据时间反演方法对所述声波信号进行校正，得到校正后的声波信号；将所述校正后的声波信号发送给电子系统；所述电子系统，用于根据所述校正后的声波信号激励所述换能器阵列组件发射第二声波；所述第二声波用于在经过所述非均匀介质后于所述第一目标位置聚焦。
- 根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述处理器，具体用于根据时间反演方法对所述声波信号的相位和幅度分别进行校正，得到校正后的声波信号。
- 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述处理器，具体用于按照以下公式对所述换能器阵列组件中第i个阵元采集的声波信号Pi(t)进行相位校正：Ri(t)＝Pi(T-t)；所述T为所述声波信号Pi(t)的总时间长度，所述Ri(t)为所述声波信号Pi(t)经过相位校正后的声波信号；所述处理器，具体用于按照以下公式对所述Ri(t)进行幅度校正：Ri’(t)＝Ri(t)*Amax/Ai；所述Ai为所述第i个阵元采集的声波信号的最大峰值，所述Amax为所述换能器阵列组件中所有阵元分别采集的声波信号的最大峰值之中的最大值；所述Ri’(t)为所述Ri(t)经过幅度校正后的声波信号；所述处理器，具体用于将所述Ri’(t)发送给所述电子系统中所述第i个阵元对应的通道。
- 根据权利要求14-16任一项所述的装置，其特征在于，所述处理器，还用于以在所述第一目标位置聚焦相同的方式形成x-1个聚焦点；x个聚焦点之中的部分或全部聚焦点用于形成用以捕捉负声对比系数的目标对象或捕捉正声对比系数的目标对象的声阱；所述x为大于1的整数。
- 根据权利要求17所述的装置，其特征在于，用以捕捉负声对比系数的目标对象的声阱为聚焦声阱，所述聚焦声阱包括至少两个聚焦点。
- 根据权利要求17所述的装置，其特征在于，用以捕捉正声对比系数的目标对象的声阱为以下任意一种：涡旋声阱、双阱或局部空心声阱；所述涡旋声阱包括至少四个位置沿着圆周排列、相位沿着圆周间隔变化的聚焦点；所述双阱包括两个距离小于预设第一距离阈值的聚焦点；所述局部空心声阱包括前后、左右、上下分布的至少六个聚焦点。
- 根据权利要求14-16任一项所述的装置，其特征在于，所述换能器阵列组件包括一个换能器阵列或者包括多个换能器阵列，所述多个换能器阵列以预设空间组合方式组合。
- 根据权利要求14-16任一项所述的装置，其特征在于，所述声源为虚拟声源或者真实声源。
- 根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述目标对象包括以下任意一种：聚合物粒子、载药粒子、细胞、微纳米器件、液滴、微泡或动态生物体。
- 根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述聚合物例子包括以下任意一种：PDMS粒子、PS粒子、EPS粒子、PMMA粒子或玻璃球。
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