基于聲光偏轉(zhuǎn)的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓檢測(cè)研究.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasotmd，HIFU)已成為醫(yī)學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是21世紀(jì)新興的無(wú)創(chuàng)外科技術(shù)。隨著這項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，聚焦超聲技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)了。目前聚焦超聲技術(shù)產(chǎn)生的焦點(diǎn)聲壓可達(dá)到107 Pa量級(jí)，焦點(diǎn)大小可達(dá)到毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)，如此高的聲壓與聲強(qiáng)給聲場(chǎng)的測(cè)量帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
　　針對(duì)目前高聲壓下的聲場(chǎng)測(cè)量方法存在的一些問(wèn)題，例如檢測(cè)過(guò)程中所用的傳感器對(duì)聲場(chǎng)本身易

2、造成干擾，用于檢測(cè)的傳感器易損壞，以及檢測(cè)的理論模型參量關(guān)系復(fù)雜等，本文提出了一種基于聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)聚焦超聲焦點(diǎn)處以及焦點(diǎn)附近聲壓進(jìn)行非侵入式檢測(cè)的方法。聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)用于檢測(cè)聲場(chǎng)的基本原理是利用窄的平行光束與聲場(chǎng)相互作用過(guò)程中，由于聲場(chǎng)的存在引起介質(zhì)折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致光線(xiàn)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，根據(jù)光線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)軌跡計(jì)算出光線(xiàn)的偏移量，再得出其與聲壓的關(guān)系。本文從理論和實(shí)驗(yàn)方面做了四個(gè)方面的研究：
　　(1)從聚焦聲場(chǎng)分布的特點(diǎn)以及非均勻介質(zhì)

3、中光線(xiàn)傳播的基本理論出發(fā)，將聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)創(chuàng)新的應(yīng)用于聚焦聲場(chǎng)的檢測(cè)。在聚焦超聲的情況下，焦域旁瓣引起介質(zhì)折射率梯度的方向相反，故光線(xiàn)穿過(guò)旁瓣時(shí)的偏轉(zhuǎn)近似抵消，即偏轉(zhuǎn)只與焦域主瓣的聲場(chǎng)有關(guān)。通過(guò)研究焦點(diǎn)聲壓與光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)的具體關(guān)系，建立了光線(xiàn)最大偏轉(zhuǎn)距離與焦點(diǎn)聲壓變化的關(guān)系模型，從而計(jì)算出了焦點(diǎn)峰值聲壓。
　　(2)研究聲波在一個(gè)周期內(nèi)，光束穿過(guò)焦點(diǎn)時(shí)引起光線(xiàn)投影位置變化的規(guī)律。研究結(jié)果表明光束最大偏轉(zhuǎn)距離dmax是由恰好穿過(guò)焦點(diǎn)的光線(xiàn)

4、偏轉(zhuǎn)引起。由于聲波頻率很高，故遠(yuǎn)場(chǎng)的光斑圖像為一幅時(shí)間平均的疊加圖像，即展寬為2dmax的橢圓形光斑。
　　(3)通過(guò)研究光束分別沿焦域長(zhǎng)、短軸方向移動(dòng)時(shí)，引起光斑形狀變化的規(guī)律，建立了光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)距離與長(zhǎng)、短軸上聲壓變化的關(guān)系模型。研究表明在長(zhǎng)、短軸方向，光束越靠近焦點(diǎn)偏轉(zhuǎn)越大，故計(jì)算的聲壓為離焦點(diǎn)最近的光線(xiàn)所處位置的聲壓。然而光線(xiàn)偏轉(zhuǎn)量的計(jì)算方式不同，在短軸方向，偏轉(zhuǎn)量為光斑最大長(zhǎng)度的一半；在長(zhǎng)軸方向，偏轉(zhuǎn)量為離焦點(diǎn)最近的光線(xiàn)相對(duì)

5、無(wú)聲場(chǎng)時(shí)的位移增加量。
　　(4)為了對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，采用凹球面型聚焦換能器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)與采用光纖水聽(tīng)器測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以證明理論模型的可行性。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)得到的光斑圖像與理論分析的規(guī)律一致，且用該方法測(cè)得的焦點(diǎn)峰值聲壓與光纖水聽(tīng)器測(cè)量的結(jié)果相比，相對(duì)誤差小于15％，證明該方法具有可行性，能夠定量檢測(cè)焦點(diǎn)峰值聲壓。
　　本文提出的方法不僅對(duì)聚焦聲場(chǎng)的檢測(cè)無(wú)干擾，對(duì)聲壓的峰值測(cè)量精確度高，而且該方法不需檢測(cè)出光強(qiáng)