[发明专利]一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声声场测量技术领域，更具体地说，涉及一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统及其方法。

背景技术

近十多年来，高强度聚焦超声（HIFU）作为一种新兴的非侵入式治疗肿瘤方法得到人们极大的关注。HIFU治疗肿瘤的主要原理是将体外超声能量聚焦于体内肿瘤组织内，靶区组织吸收声能量，温度在短时间内上升至65℃以上，发生不可逆凝固性坏死。为确保治疗的安全性和有效性，治疗前必须准确描述HIFU声场分布。由于HIFU治疗时声能量很高，焦点声压甚至能达到100MPa量级；强非线性导致声波波形严重畸变，甚至形成冲击波，频谱展宽。强声压和宽频带是HIFU声场测量中的两个挑战，要求声场测量系统既要能承受强声压又要有很宽的频带，而目前一直没有理想的声场测量系统能够满足上述两点。

传统的测量声场方法（例如使用PVDF水听器测量）无法满足HIFU声场的极端条件，目前比较常用的方法是使用光纤水听器，利用光纤端口的声-光效应（如压力变化导致光反射系数变化）测量HIFU声场。虽然光纤水听器灵敏度不如传统PVDF水听器高且噪声较大，但是其频带宽且鲁棒性好。然而，在实际测量中发现，当冲击波产生后，光纤水听器带宽仍然不能满足测量要求，测得的峰值正压常常小于实际值。此外，研究者们还提出了一些非侵入式的通过监测HIFU声场中质点位移的测量声场技术，如通过磁共振MRI（magnetic resonance imaging）、粒子速度成像PIV(particle image velocimetry)等，但这些方法还很不成熟，且造价昂贵。

另一方面，HIFU非线性声传播模型目前已经较为成熟。Westervelt方程描述了精确到二阶的非线性声场。对于平面和弱聚焦换能器（半张角小于16°），在近轴近似下，Westervelt方程可以化简为著名的Khokhlov–Zabolotskaya–Kuznetsov(KZK)方程；对于强聚焦换能器，在椭球坐标系下，Westervelt方程可以化简为Spheroidal beam equation(SBE)模型。在已知边界条件，即换能器表面声压分布后，非线性声场模型可以准确的预测HIFU声场分布。

目前，有研究者提出了结合实验测量与数值模型来确定高强度聚焦超声非线性声场的方法。Canney等人于2008年提出了该方法：首先根据线性声场测量和数值计算结果得到换能器有效参数；其次根据测量的焦点声压和换能器聚焦增益得到换能器表面声压P₀；假设激励换能器的电信号V₀与换能器表面声压P₀成线性关系，那么在任意电信号V激励下，换取表面声压p=P₀(V/V₀)；最后将表面声压p作为边界条件，可以计算得到在该激励下的声场分布。然而，此方法的缺点在于当激励电信号很强时，电信号与换能器表面声压的线性关系无法得到保证。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有高强度聚焦超声非线性声场的测量方法，在强非线性条件下，测量系统带宽不够，导致声场测量准确度不高的问题，提供了一种测量强聚焦超声非线性声场分布的系统及其方法，本发明提供的技术方案测量准确度高、容易实施，测量过程中对水听器的灵敏度要求较低，避免了因水听器灵敏度低导致检测结果不准确的隐患。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种测量强聚焦超声非线性声场分布的方法，其测量步骤为：

步骤一、在线性声场条件下，测量球壳换能器轴向以及该球壳换能器焦平面径向的声压，获得球壳换能器轴向及其焦平面径向的声压分布曲线；

步骤二、根据瑞利积分计算球壳换能器轴向及该球壳换能器焦平面径向的声压分布曲线，将计算结果与步骤一获得的测量结果相比较，调节球壳换能器的张口半径a和几何焦距d，使得计算获得的球壳换能器轴向及其焦平面径向声压分布曲线与步骤一的测量结果相吻合，获得球壳换能器有效参数a和d；

步骤三、将步骤二获得的有效参数代入非线性声传播模型，计算焦点的二次谐波与基波的比值R₂₁，再改变球壳换能器表面声压幅值P₀，计算不同表面声压幅值P₀对应的R₂₁，得R₂₁与P₀的关系曲线；