基于声光偏转的聚焦超声焦点声压检测研究

摘要

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasotmd，HIFU)已成为医学与工程领域的研究热点，是21世纪新兴的无创外科技术。随着这项技术的推广和应用，聚焦超声技术迅速发展起来了。目前聚焦超声技术产生的焦点声压可达到107 Pa量级，焦点大小可达到毫米级甚至亚毫米级，如此高的声压与声强给声场的测量带来了新的挑战。
　　针对目前高声压下的声场测量方法存在的一些问题，例如检测过程中所用的传感器对声场本身易造成干扰，用于检测的传感器易损坏，以及检测的理论模型参量关系复杂等，本文提出了一种基于声光偏转效应对聚焦超声焦点处以及焦点附近声压进行非侵入式检测的方法。声光偏转效应用于检测声场的基本原理是利用窄的平行光束与声场相互作用过程中，由于声场的存在引起介质折射率发生变化，导致光线产生折射现象，根据光线的偏转轨迹计算出光线的偏移量，再得出其与声压的关系。本文从理论和实验方面做了四个方面的研究：
　　(1)从聚焦声场分布的特点以及非均匀介质中光线传播的基本理论出发，将声光偏转效应创新的应用于聚焦声场的检测。在聚焦超声的情况下，焦域旁瓣引起介质折射率梯度的方向相反，故光线穿过旁瓣时的偏转近似抵消，即偏转只与焦域主瓣的声场有关。通过研究焦点声压与光线偏转的具体关系，建立了光线最大偏转距离与焦点声压变化的关系模型，从而计算出了焦点峰值声压。
　　(2)研究声波在一个周期内，光束穿过焦点时引起光线投影位置变化的规律。研究结果表明光束最大偏转距离dmax是由恰好穿过焦点的光线偏转引起。由于声波频率很高，故远场的光斑图像为一幅时间平均的叠加图像，即展宽为2dmax的椭圆形光斑。
　　(3)通过研究光束分别沿焦域长、短轴方向移动时，引起光斑形状变化的规律，建立了光线偏转距离与长、短轴上声压变化的关系模型。研究表明在长、短轴方向，光束越靠近焦点偏转越大，故计算的声压为离焦点最近的光线所处位置的声压。然而光线偏转量的计算方式不同，在短轴方向，偏转量为光斑最大长度的一半；在长轴方向，偏转量为离焦点最近的光线相对无声场时的位移增加量。
　　(4)为了对理论模型进行验证，采用凹球面型聚焦换能器进行实验研究。通过与采用光纤水听器测量的结果进行对比，以证明理论模型的可行性。结果表明实验得到的光斑图像与理论分析的规律一致，且用该方法测得的焦点峰值声压与光纤水听器测量的结果相比，相对误差小于15％，证明该方法具有可行性，能够定量检测焦点峰值声压。
　　本文提出的方法不仅对聚焦声场的检测无干扰，对声压的峰值测量精确度高，而且该方法不需检测出光强的分布，变化的参量与声压的关系较简单。本文的研究也为将声光偏转效应用于整个聚焦声场的定量检测提供了实验依据和理论依据。