[发明专利]一种基于平面人工结构的超声聚焦透镜

说明书

技术领域

本发明涉及超声换能器领域，尤其涉及一种基于平面人工结构的超声聚焦透镜。

背景技术

近年来超声临床应用已不再局限于图像诊断，超声在肿瘤、脑疾病方面的治疗作用逐渐成为现代医学研究热点。HIFU治疗是通过高强度聚焦超声引发瞬间高热，使肿瘤组织极快地凝固性坏死，从而用于肿瘤热治疗；神经调控研究中聚焦声场可以精准刺激神经核团，有效调节神经环路，为研究帕金森、抑郁症等脑功能性的发病机制和治疗提供重要手段。因此聚焦声场对于研究超声的治疗有重要意义。

聚焦超声换能器一般都由压电晶片自聚焦。目前世界上进行超声治疗研究的实验室中，基本上都采用商用超声凹球面聚焦换能器进行相关实验研究，而每个聚焦超声换能器都有固定的焦距和焦斑，所以为了满足不同研究的需要，各实验室均需购买不同型号的商用聚焦超声换能器，经济成本较高。

聚焦超声换能器是直接产生所需要的聚焦声场，称为主动式声波聚焦。常见的换能器声波聚焦方式有凹球面自聚焦、平面阵列换能器和凹面阵列换能器。人工结构也可以实现声波调控，是因为声波遇到物体(人工结构)发生一系列波动效应，并通过反射、折射、干涉等多种相互作用，产生不同的声波效果。人工结构调控超声波聚焦，其主要应用人工结构对声波的负折射、衍射或相位调控，最终使经过人工结构后的超声波在特定区域汇聚。人工结构由于其造价低和灵活性一直受到广泛的关注。

本发明涉及一种可灵活设计的平面人工结构的超声聚焦透镜，该透镜可用于聚焦平面超声换能器的声波聚焦，从而应用于超声治疗、超声成像等技术上。该系统能够对患病动物进行精准超声刺激和不同深度同时进行刺激。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种调控声波聚焦的平面聚焦透镜，采用该结构，再配合平面超声探头能够产生聚焦超声声场并能精确调控聚焦深度和深度不同的多点聚焦效果，从而实现对所作用物体(例如患有疾病的动物)的不同深度区域同时进行超声刺激，操作简单，造价低廉，使用灵活。

本发明的一种基于平面人工结构的超声聚焦透镜，包括：声学软材料板，其在上下表面分别形成：圆形部，以及以所述圆形部为中心连续排列的多个同心的环形部，相邻环形部的厚度不同，并且上下表面的圆形部以及环形部以所述声学软材料板的中心水平线分别呈上下对称；以及硅胶覆盖层，其分别覆盖于所述声学软材料板的上下表面，使得所述超声聚焦透镜具有均一的总厚度，其中，所述各环形部的厚度与所述超声聚焦透镜的焦距相关。

优选地，所述声学软材料板为水中透声率高的声学软材料。

优选地，所述声学软材料包括环氧树脂材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚乳酸(PLA)。

优选地，所述各环形部的厚度、所处位置以及所述超声聚焦透镜的焦距之间满足如下公式：

其中，是关于所述声学软材料板的环形部的厚度t变化的相位方程，是关于各环形部的中间位置r变化的相位方程，公式中所选取的位置r均为每个环形部的中间位置，λ是声波在水中的波长，λ＝2πf/c_0L，f为工作频率，h是所述超声聚焦透镜的总厚度，t是每个环形部的厚度，c_0L，c_1L和c_2L分别是水、声学软材料和硅胶的声速，F是声场聚焦的焦距。

优选地，由公式⑴可计算出随着各环形部的厚度变化的超声波相位，由公式⑵可计算出沿着超声聚焦透镜平面方向的超声波相位，则由公式(2)计算出超声聚焦透镜的位置r处的相位然后带入公式(1)，即可得到位置r处的声学软材料板的环形部的厚度t。

优选地，所述超声聚焦透镜包括单点聚焦的平面超声聚焦透镜以及多点聚焦的平面超声聚焦透镜。

优选地，所述多点聚焦的平面超声聚焦透镜由多个区域的环形部构成，各区域的环形部分别形成不同的焦点。

优选地，所述多个区域包括中心区域和一个以上边缘区域，中心区域的环形部形成近的焦点，边缘区域形成远的焦点。

优选地，在工作频率f为0.62MHz的情况下，所述各环形部的厚度范围为0.4～2.8mm，取值区间为0.001mm以下，所述超声聚焦透镜的总厚度为3mm。

优选地，所述各环形部的位置r的范围根据入射波宽度而定。

有益效果

本发明的基于平面人工结构的超声聚焦透镜可灵活设计。该透镜可用于平面超声换能器的声波聚焦，从而应用于超声治疗、超声成像等技术，能够对患病动物进行精准超声刺激和不同深度同时进行刺激。