基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统及方法
本专利技术涉及高强度聚焦超声
，具体涉及一种聚焦超声功率测量系统及方法。
技术介绍
高强度聚焦超声(HighIntensityFocusedUltrasound,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。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术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：本专利技术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Vz；(3)根据换能器表面振速换能器表面振速ua和焦点轴向振速Vz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Vz2成正比的关系，利用所测量的Vz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ua和焦点轴向振速Vz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Vz计算出换能器表面振速ua。进一步，步骤(3)HIFU换能器的声功率W和焦点轴向振速Vz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：本专利技术利用声传播理论，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Vz＝200mm/s时，换能器声功率和焦距的关系；图9为保持Vz＝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专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术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PolytecOFV-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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量系统，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量方法，其特征在于：所述反光膜的尺寸大于1cm2，厚度小于100μm。4.一种基于焦域轴向最大振速的聚焦超声功率测量方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭各朴，马青玉，陶晨阳，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32