一種聚焦聲透鏡的設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超聲治療技術領域，更具體地說，涉及一種聚焦聲透鏡的設計方法。
【背景技術】
[0002]高強度聚焦超聲(HIFU)技術是一種有效的無損創傷治療技術，對體內深層、固體腫瘤組織的治療具有很好的效果，其主要是通過一定的方式使超聲波透過體表后聚集在病灶組織上，經過細胞與超聲的相互作用，在病灶組織內產生不可逆轉的凝固性壞死，從而達到治療的目的。目前，該技術以其無害、安全、有效等優勢得到了國內外許多學者和醫生的廣泛關注，并已在泌尿學、腫瘤學、神經外科、婦科、眼科等醫學領域中被廣泛應用和推廣。
[0003]超聲聚焦換能器是HIFU技術的核心器件，由于HIFU技術的應用對象是有生命的活體，治療過程中要利用高強度超聲能量消除病灶，但更重要的是要保證治療對象的安全性，因此實現超聲能量精準聚焦，即超聲換能器的聚焦特性的好壞是HIFU技術治療的關鍵。根據聚焦方式的不同，常見的超聲聚焦換能器主要有球面自聚焦換能器和聲透鏡聚焦換能器。其中，聲透鏡聚焦是利用聲波在彎曲界面上的折射來達到聚焦的目的，結構簡單，成本低廉，能夠通過改變透鏡曲率來改變焦距，適合應用于超聲成像和超聲治療。然而由于聲透鏡聚焦換能器的聚焦效果受到聲波衍射效應的影響，焦點的旁瓣幅度相對較大，在超聲成像中容易導致偽影和斑點等不利效果，在超聲治療中容易對目標治療區域周圍的人體組織造成一定的損傷。
[0004]Durnin在自由空間的波動方程中發現了非衍射解[Phys.Rev.Lett.58(15) 1987]，利用該理論實現的聲束能夠在軸向上保持穩定的幅度值。非衍射聲束具有良好的聲場特性，在醫學成像，組織定征，多普勒流測量，材料無損檢測等許多領域具有良好的應用前景，因而得到廣泛研究。但這類解的算法復雜，能量激發效率不高，需要較大的空間尺度，從而限制了其推廣應用。
[0005]近年來關于利用聲學反常透射現象的聲學人工結構的研究也取得了許多進展，在聲學人工結構中利用聲子晶體與基體界面上的表面波都可以獲得非衍射聲束(J.Appl.Phys.106 (4)，044512-044513，2009)。Chri stensen等人在聲學剛性板上加上周期性凹槽結構后，利用在結構中激發的聲表面波獲得了聲波反常透射和非衍射的效果[Nat.Phys.3(12)，851-852，2007]，該理論提供了一種高效簡便的激發準直聲束的方法。但由于非衍射聲束理論屬于較新的聲學原理，截止于目前，國內外學者對非衍射聲束理論的研究還處于比較淺顯的階段，還沒有研究能夠將非衍射聲束理論與聚焦超聲設備相結合，也沒有研究能夠將聲準直效應應用于超聲聚焦理論。
[0006]經檢索，關于提高聚焦效果的聚焦設備已有相關專利公開。
[0007]如，中國專利申請號:201510010200.X，申請日為:2015年01月08日，發明創造名稱:一種基于位移本征模式的聲波聚焦器件，該申請案主要是通過將金屬環狀結構浸沒在水中作為聲聚焦器件，從而將焦點的形狀由橢球形壓縮到一個平面附近范圍內，在一定程度上可以提高聲波的聚焦效果，但該申請案并沒有涉及聲透鏡的設計和制備，其原理與本發明不同，且其對徑向旁瓣幅度的抑制效果及對焦點增益的提升效果也沒有提及。
[0008]又如，中國專利申請號:201210142895.3，申請日為:2012年05月07日，發明創造名稱為:一種聚焦方法和裝置，該申請案利用時間反轉理論能夠實現自適應的高精度聚焦，提高了聚焦超聲的精度和超聲治療的準確性。但該申請案也沒有涉及聲透鏡的設計和制備，其主要是針對電子相控陣列聚焦方式進行的改進，雖能夠在一定程度上增強焦點的超聲強度，但不能夠抑制焦點處徑向旁瓣的幅度，也不能減小聲焦點與幾何焦點之間的偏移，從而不可避免地會對目標治療區域周圍的人體組織造成一定的損傷。
【發明內容】
[0009]1.發明要解決的技術問題
[0010]本發明的目的在于克服超聲聚焦換能器采用現有聲透鏡進行聚焦時，焦點附近的徑向旁瓣幅度較大，在超聲治療中會對目標區域周邊的人體組織造成一定損傷的不足，提供了一種聚焦聲透鏡的設計方法。通過使用本發明的設計方法設計的聚焦聲透鏡，能夠利用聲波反常透射現象激發聲準直效應，從而將能量更好地聚集到焦點區域，大大降低了焦點徑向旁瓣的幅度，且提高了焦點的聲波聚焦增益，從而提高了超聲成像和超聲治療的準確性與安全性。
[0011]2.技術方案
[0012]為達到上述目的，本發明提供的技術方案為:
[0013]本發明的一種聚焦聲透鏡的設計方法，其步驟為:
[0014]步驟一、選定聚焦聲透鏡的初始目標工作頻率f。，根據該初始目標工作頻率&計算出聲波在工作介質中的縱波波長λ ;在聚焦聲透鏡表面的聲輻射面，即凹球面上設置周期性分布的同心環狀凹槽結構，并設置該凹槽結構的初始分布參數:相鄰凹槽的間隔為L。，凹槽的深度為h。，凹槽的寬度為d。；
[0015]步驟二、在有限元模型計算中循環調節凹槽的寬度d和深度值h，并采用頻率掃描的方法分別計算焦點聲壓及透鏡的聲透射率相對于頻率f的變化關系，當產生焦點聲壓最大的工作頻率flniax與聲波反常透射的峰值頻率f 2_的差值| f lnax-f2nax I達到預期要求時即停止循環，以此時產生焦點增益最大的工作頻率flniax作為目標工作頻率f:，并以此時的凹槽深度和寬度分別作為本次循環中優化的凹槽深度匕和寬度d 1；
[0016]步驟三、在目標工作頻率匕附近分析焦點處的徑向旁瓣相對于主瓣的幅度比值，在有限元模型計算中保持優化后的凹槽深度h和寬度d i不變，不斷調節相鄰凹槽的間隔L使上述幅度比值達到最小，從而取得最佳的徑向旁瓣幅度抑制效果，并以此時相鄰凹槽的間隔L作為本次循環中優化的相鄰凹槽的間隔L1;
[0017]步驟四、評價經步驟一至步驟三中優化后的聚焦聲透鏡在目標工作頻率處的聚焦效果，聚焦效果包括以下三項指標:(a)焦點處的徑向旁瓣幅度相對于主瓣幅度的比值；(b)焦點處的聚焦增益，即焦點聲壓相對于平面活塞超聲換能器發射聲壓的增益；(c)聲壓焦點位置與透鏡幾何焦點位置之間的偏移量；
[0018]步驟五、如果步驟四中聚焦聲透鏡在目標工作頻率處的聚焦效果未達到設定目標，則重復進行步驟二至步驟四，直至步驟四中聚焦聲透鏡在目標工作頻率處的聚焦效果達到設定目標；
[0019]步驟六、根據步驟五中最終得到的凹槽寬度d、凹槽深度h、相鄰凹槽的間隔L來制作聚焦聲透鏡。
[0020]更進一步地，步驟一中所有凹槽的圓心均位于聚焦聲透鏡的軸線上，且每個凹槽的底部與頂部的寬度保持弧度值一致。
[0021]更進一步地，步驟一中設置相鄰凹槽間隔的初始值L。以及凹槽深度的初始值h。均為波長λ，凹槽寬度的初始值d。為半波長λ /2。
[0022]更進一步地，步驟二中凹槽的深度h與寬度d的具體優化過程為:
[0023](1)先保持凹槽的寬度d不變，以初始深度h。的1%為步長增大凹槽的深度h，若flnax-f2nax I減小，則繼續以i:述步長增大凹槽深度h，反之則以i:述步長持續減小凹槽的深度h，當比_-&_|開始變大時則停止調整，以|flnax-f2nJ開始變大前的凹槽深度作為新的凹槽深度h;
[0024](2)使新的凹槽深度h保持不變，以初始寬度d。的1 %為步長增大凹槽的寬度d，若比_-&_1減小，則繼續以上述步長增大凹槽寬度d，反之則以上述步長持續減小凹槽寬度d，當|flniax-f2_|開始變大時則停止調整，以|flniax-f2_l開始變大前的凹槽寬度作為新的凹槽寬度d ;
[0025](3)循環執行步驟(1)、步驟(2)，當|flniax-f2_|達到預期要求時即停止循環。
[0026]更進一步地，在步驟(3)中，當I flnax-f2nax I小于聲波反常透射的峰值頻率&_的1%時停止循環，此時得到的凹槽深度h和寬度d值即為本次循環中優化的凹槽深度匕和寬度山，且以此時產生焦點增益最大的工作頻率flniax作為目標工作頻率f 1;若上述條件始終無法滿足，則以循環過程中使|flniax-f2_l的值最小時的凹槽深度h和寬度d值作為本次循環中優化的凹槽深度匕和寬度d ρ以此時產生焦點增益最大的工作頻率flniax作為目標工作頻率A。
[0027]更進一步地，步驟三中相鄰凹槽間隔L的具體優化過程為:以凹槽初始間隔L。的0.5%為步長增大相鄰凹槽的間隔L，如果焦點處的徑向旁瓣與主瓣的幅度比值變小，則繼續以上述步長增大相鄰凹槽的間隔L;如上述比值變大，則以凹槽初始間隔L。的1%為步長持續減小相鄰凹槽的間隔L ;當調整至上述幅度比值開始變大時則停止調整，并以上述幅度比值開始變大之前的相鄰凹槽間隔作為優化的相鄰凹槽間隔Q。
[0028]3.有益效果
[0029]采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下顯著效果:
[0030](1)本發明的一種聚