基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统及方法，通过焦域平面内振速扫描实现焦域最大轴向振速的测量，进而基于焦域振速分布和换能器结构参数及辐射声功率的关系，提出了一种根据焦域轴向最大振速计算超声功率的非接触式声功率反演测量新方法。本发明在已知换能器设计参数的情况下，可以根据焦域处轴向最大振速反演计算出换能器辐射的声功率，有效恢复HIFU焦域被抵消掉的径向振动能量，为超声治疗的声功率精确测量和剂量控制提供了新思路，对HIFU治疗仪器的功率校准提供了新技术，在HIFU治疗系统的质量检测和临床应用中具有重要的指导意义和推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及高强度聚焦超声技术领域，具体涉及一种聚焦超声功率测量系统及方法。

背景技术

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗肿瘤技术具有非介入、创口小、康复快、且不易引起癌细胞转移的优点。而在HIFU治疗中，超声辐射的声功率表示超声的能量输出，与超声治疗效果和安全性密切相关，因而，超声辐射功率的测量具有十分重要的意义。

目前超声功率测量方法中，辐射力法是通过测量吸收靶承载的辐射力计算出换能器发出的超声功率，虽然操作简便，但测量脉冲重复频率很低的猝发纯音脉冲超声功率时，不够灵敏且误差较大，在大功率声源焦域附近测量时稳定性较差。水听器法是利用传感器在水下收听声信号，将接收到的声压信号转变为电压信号，完成对声场信息的收集，但水听器灵敏度高，设备价格昂贵，且对测量系统要求较高，在大功率声源作用的声场中容易对器件造成损伤。互易法是根据平面活塞型换能器的衍射规律，推导换能器发射的声功率，但是它易受非线性效应的限制。量热法是利用液体吸收超声源辐射的声能转化为热，测量液体上升的温度来确定超声声功率，所以要求量热系统不与外界发生热交换，但是换能器本身也会由于机械损耗和介电损耗发热，使工作液体温度升高，传入到量热系统中，引起一定的误差。因此，这几种测量HIFU换能器声功率的方法虽然能在一定范围内满足声功率测量要求，但是其测量精度、速度和复杂度不能达到精准测量和方便应用的目的，需要寻找一种简便精准的聚焦超声功率测量的方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术稳定性差、精确度低等问题，提出了一种基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统及方法，利用聚集换能器的结构参数和焦域轴向最大振速来恢复焦域所抵消径向振动所包含的能量，实现声功率的精确测量。

技术方案：本发明提供了一种基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统，包括计算机、函数信号发生器、功率放大器、数据采集器、激光解码器、激光探头以及置于水中的HIFU换能器和反光膜，所述HIFU换能器依次连接有功率发大器、函数信号发生器、计算机，此外，计算机还通过数据采集器、激光解码器连接至激光探头，所述HIFU换能器、反光膜和激光探头的轴线顺序重合。

进一步，步骤(1)所述HIFU换能器为球壳聚焦换能器，半径a为1～20cm，焦距R大于半径。

进一步，所述反光膜的尺寸大于1cm²，厚度小于100μm。

一种基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量方法，包括以下步骤：

(1)计算机控制函数信号发生器输出与HIFU换能器中心频率相同的正弦信号，经过功率放大器放大后驱动HIFU换能器产生超声信号，经过水传播后产生聚焦，同时将反光膜移至和焦距相应的距离上，使反光膜产生最大振动；

(2)调整激光探头方向使反光膜的反射光最强，并和激光探头的入射光在探头输出端形成稳定的干涉信号，经过激光解码器和数据采集器，获得反光膜测量点上的振动位移和振速波形，调整激光探头的位置，寻找反光膜上焦平面的中心来获取焦点轴向振速V_z；

(3)根据换能器表面振速换能器表面振速u_a和焦点轴向振速V_z之间的线性关系，以及HIFU换能器的半径a和焦距R，HIFU换能器的声功率W和V_z²成正比的关系，利用所测量的V_z来计算HIFU聚焦换能器的声功率。

进一步，步骤(3)换能器表面振速u_a和焦点轴向振速V_z的关系为：

其中是焦域轴向最大振速的增益系数，k＝ω/c₀是声波的波数，ω是声波频率，c₀是水中的声速，通过测量的V_z计算出换能器表面振速u_a。

进一步，步骤(3)HIFU换能器的声功率W和焦点轴向振速V_z的关系为：

其中是基于焦点轴向最大振速的声功率系数，I是HIFU换能器表面声强，S是HIFU换能器效声源面积，ρ₀和c₀是水的密度和声速。

有益效果：本发明利用声传播理论，建立了聚焦超声的治疗模型，并针对已知结构参数的换能器，以及换能器辐射声功率和焦域轴向振速以及换能器表面振速的关系，通过所测量的焦域轴向最大振速来计算聚焦换能器的声功率，能有效恢复焦域所抵消的径向振动的能量，实现聚焦超声功率的精确测量，为聚焦超声功率的测量和校准提供了一种新技术，在HIFU治疗系统的质量检测和实际应用中有着良好的推广价值。

附图说明

图1为聚焦超声功率测量系统示意图；

图2为聚焦超声功率计算原理图；

图3(a)(b)为不同表面振速下大口径换能器焦平面质点振速径向分布及其和表面振速的关系；

图4为换能器表面振速为5mm/s时聚焦声场质点振速的轴向分布；

图5(a)(b)为在几种信号激励下大口径换能器的表面振速和焦域轴向最大振速；

图6为两种换能器的表面振速和焦域轴向最大振速的关系；

图7为两种换能器的焦域轴向最大振速和声功率的关系；

图8为保持V_z＝200mm/s时，换能器声功率和焦距的关系；

图9为保持V_z＝200mm/s时，换能器声功率和口径的关系。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统，如图1所示，包括计算机、函数信号发生器、功率放大器、数据采集器、激光解码器、激光探头、透光玻璃以及置于水中的HIFU换能器和反光膜。HIFU换能器与功率发大器、函数信号发生器、计算机依次相连，此外，计算机还通过数据采集器、激光解码器连接至激光探头。HIFU换能器和反光膜置于水中，HIFU换能器、反光膜和激光探头依次排列且轴线重合。HIFU换能器在水中产生的超声波在反光薄膜反光膜处产生聚焦，使其产生振动，激光探头发射出的激光通过透光玻璃反射测量焦域平面上的轴向最大振速，实现HIFU超声功率的测量。

本实施例大口径HIFU换能器是球壳HIFU换能器，半径a为5cm，焦距R为10cm，中心频率1.13MHz。函数信号发生器输出中心频率与HIFU换能器相同的、在50mV至130mV电压幅值范围内以10mV的步进方式输出连续正弦信号。激光探头、数据采集器和激光解码器在激光反射处振动的位移分辨率0.02pm，振速分辨率3μm/s，频率范围30kHz-24MHz，完全满足常规HIFU换能器焦域声场的精确测量。反光膜是圆形的，直径为4cm，厚度为5μm，由于反光膜厚度远小于水中声波的波长，声波可以认为完全透过薄膜而不产生反射和吸收，同时会使水产生和薄膜等幅同相的运动。

激光探头的型号为Polytec OFV-503，将激光探头垂直于反光膜放置，调节探头方向使反射光最强，并和入射光形成稳定的干涉信号输出。激光解码器的型号为PolytecOFV-2570HF，经过激光解码器和数据采集系统可获得测量点上的质点振动位移和振速波形。所用的HIFU换能器和反光膜被固定导轨支架上来保证其声轴与光轴的重合，同时将激光探头安装在三维精密移动系统中，通过位移控制来寻找焦平面的中心来获得焦域轴向最大振速，进而结合HIFU换能器的有效声源面积即可计算其辐射声功率。

采用上述装置的测量方法如下：

(1)计算机控制函数信号发生器输出与HIFU换能器中心频率相同的正弦信号，经过功率放大器放大后驱动HIFU换能器产生超声信号，通过水传播后聚焦，同时将圆形反光膜移至和焦距相应的距离上，使反光膜产生最大振动。

(2)通过调整激光探头方向使反射光最强，并和激光探头的入射光在探头输出端形成稳定的干涉信号输出，经过激光解码器和数据采集，获得激光反射测量点上的振动位移和振速波形，调整激光探头的位置，寻找反光膜上焦平面的中心来获取最大的焦域振速V_z。

(3)根据换能器表面振速换能器表面振速u_a和焦点轴向振速V_z之间的线性关系，以及对于HIFU换能器的半径a和焦距R，HIFU换能器的声功率W和V_z²成正比的关系，利用所测量的V_z来计算HIFU换能器的声功率。

如图2所示，在同一信号激励下，HIFU换能器表面上各点沿着径向做同振幅、同相位的振动，其聚焦过程可以看成球面上无数个微小脉动球源声辐射的总和，其中每一个声源可以看成是一个球面辐射。图中代表声源位置，S'是焦域中心，v_|s'-s|是焦点的振速，v_z和v_r分别是轴向和径向振速，R是焦距，l和θ是声源到焦点的距离及其和中心轴线的夹角。基于球面坐标中声传播理论，焦点轴向振速可表示为：

其中，HIFU换能器的焦点轴向振速增益可以表示为反之，通过焦点轴向振速的测量可以计算出换能器的表面振速：

在换能器表面振速没有产生明显非线性的条件下，水中声传播的损耗较小，换能器的表面声压和声强可以分别表示为：

考虑换能器的有效声源面积其辐射声功率为：

其中是基于焦点轴向振速的功率系数。

图3(a)显示了大口径换能器表面振速分别为1，2，3，4和5mm/s时焦平面振速的径向分布。可见在不同表面振速下，焦平面的振速呈现中间大(r＝0)两边小(r＝1.6mm)的分布；随着表面振速的增大，焦平面中心处的振速增大，但是焦点位置保持不变，振速的径向分布基本不变；同时还可以发现平面的中心振速和换能器表面振速呈现线性关系，满足线性叠加的基本原理，如图3(b)所示。

图4显示了换能器表面振速5mm/s(振幅5nm)时HIFU声场的质点振速二维分布图，图中箭头大小和方向分别表示质点振速大小和方向。可见焦域中心处的振速远大于其他位置的振速，且其振动方向沿声场轴向，而该处的径向振动相互抵消为0，这为焦点轴向振速测量的准确性提供了理论依据。

在不同输出信号幅度条件下，实验测量的焦点轴向最大振速V_z和换能器的表面振速u_a如图5(a)和(b)所示，可见随着输入信号幅度的增加，换能器表面振速u_a和焦点轴向振速V_z相应提高，二者存在一个基本固定的由结构参数所决定的比例关系G_V。进一步得到实验测量换能器表面振速u_a和焦点轴向振速V_z的关系如图6的实心离散点所示，其分布和理论结果基本一致，反映二者良好的线性关系。将实验测量的换能器焦点轴向振速V_z分别带入到公式(5)中，计算得到的声功率如图7的黑色离散实心点所示，其分布和理论计算结果的分布基本一致，进一步证明了所提测量方法的准确性。

实施例2：与实施例1大致相同，所不同的是，将HIFU换能器替换为小口径换能器，直径3.7cm，焦距22cm，频率352kHz。用同样的方法对小口径换能器进行了换能器表面振速u_a和焦点轴向振速V_z激光测量。

得到V_z与u_a的关系如图6实心离散点所示，而W和V_z与功率的关系图7实心离散点所示，实验和理论以及数值计算高度一致的结果进一步证明了具有不同结构参数换能器的V_z和声功率的关系。另外，计算得到实验大小口径换能器的G_V均值约为62.4和1.31，G_W均值为3.42和976.9，和理论结果基本相近，进一步实验证明了结构参数对HIFU焦点轴向振速增益和功率系数的重大影响。

因此，在已知HIFU换能器结构参数的前提下，通过对HIFU焦域轴向最大振速的测量，可以计算出换能器的辐射声功率，为聚焦超声功率的精确测量提供了一种非接触的快速测量方法。

为了证明所提出的利用轴向振速V_z来计算换能器表面振速u_a和声功率W的方法，将实施例1、2两种换能器的结构参数代入到公式(2)，理论计算得到换能器表面振速u_a和焦点轴向振速V_z关系，其结果如图6的实线所示。可见对于结构参数(a，R)一定的换能器，焦点轴向振速V_z随着换能器表面振速u_a的提高而线性增大，其斜率由R和a及其G_V所决定。对比图6中大口径和小口径换能器u_a和V_z关系曲线，发现在换能器R变长、a变小情况下，在相同换能器表面振速条件下，大口径换能器的焦点轴向振速远大于小口径换能器的焦点轴向振速。另外，利用有限元数值计算得到u_a和V_z关系如图6中的离散点所示，其分布和理论计算结果基本一致，证明了u_a和V_z存在线性关系。结合公式(1)，焦点轴向振速增益和a²成正比，且和R²成反比，同时还受到的影响。经计算得到大小口径两种换能器的焦点轴向振速增益G_V分别约为60.37和1.17，表示在相同换能器表面振速条件下，大口径短焦距换能器所产生的V_z更大。

由公式(5)可知，对于结构参数(a，R)已知的换能器，W和V_z²成正比，通过焦点轴向振速V_z的测量就可以计算换能器的辐射声功率W。基于实验用换能器的结构参数，利用公式(5)理论计算得到辐射声功率和焦点轴向振速的结果如图7实线所示，同时将数值计算结果用离散空心点表示作为比较，可见理论计算结果和数值计算仿真结果吻合较好，准确反映了辐射声功率和焦点轴向振速的平方关系。对于大小口径的换能器，其G_W分别为3.39和1156.1，反映大口径换能器轴向振速分量较大，辐射声功率随V_z的上升速度较慢，即在测量到相同V_z时小口径换能器的功率更大。

在保持换能器焦点轴向最大振速V_z＝200mm/s的条件下，分别对半径a＝3,4,5和6cm的四种换能器进行了焦距范围6-15cm的辐射声功率进行理论计算，得到如图8的声功率W和焦距R的分布关系。可见在相同轴向振速V_z时，对于同一换能器口径，焦距越大，辐射声功率越大；对于同一焦距，换能器口径越小，辐射功率越大。同样在保持换能器焦点轴向最大振速V_z＝200mm/s的条件下，分别对聚焦R＝10、12、14和16cm的四种换能器进行了半径范围1-8cm的辐射声功率的计算，得到如图9的声功率和半径的分布关系。可见在轴向振速V_z不变时，焦距固定换能器的辐射声功率随着半径的增加而减小，对于相同口径换能器，焦距越大，声功率越高。