用于在物体中产生全息超声场的设备和方法技术

一种超声设备(100)，其用于产生全息超声场(1)，所述超声设备包括：超声源装置(10)，所述超声源装置适用于产生超声波；以及透射全息图装置(20)，所述透射全息图装置具有透射全息图(21)和露出的声发射器表面(22)，所述透射全息图装置(20)与所述超声源装置(10)耦接，并且被布置成用于使所述超声波透射穿过所述声发射器表面(22)，并且在周围空间中产生全息超声场，其中所述声发射器表面(22)是光滑表面。此外，描述了一种利用超声设备(100)在物体(3)中产生全息超声场的方法，以及超声设备(100)的应用。

Apparatus and method for producing holographic ultrasound field in objects

An ultrasonic device (100) for generating a holographic ultrasonic field (1) comprising an ultrasonic source device (10) suitable for generating ultrasonic waves and a transmission hologram device (20) having a transmission hologram (21) and an exposed acoustic transmitter surface (22). The hologram device (20) is coupled to the ultrasonic source device (10) and is arranged for transmitting the ultrasonic wave through the acoustic transmitter surface (22) and generating a holographic ultrasonic field in the surrounding space, wherein the acoustic transmitter surface (22) is a smooth surface. In addition, a method for generating a holographic ultrasonic field in an object (3) using an ultrasonic device (100) and the application of the ultrasonic device (100) are described.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在物体中产生全息超声场的设备和方法
本专利技术涉及一种被配置成用于在物体中产生全息超声场的超声设备。此外，本专利技术涉及一种在物体中产生全息超声场的方法。本专利技术可应用于利用超声处理物体、基于超声的能量传输和/或超声成像，特别是医学工程的领域中。
技术介绍
为描述本专利技术的背景，特别参考以下文献：[1]A.Meyer等的“JournalofAppliedPhysics”，96(10):5886-5891(2004)；[2]US8,696,164B2；[3]M.Molerón等的“AppliedPhysicsLetters”，105(11):114109(2014)；[4]Y.Hertzberg等的“MedicalPhysics”38(12):6407-6415(2011)；[5]WO2013/108152A1；[6]US2003/145864A1；[7]G.Fleury等的“Ultrasonicssymposium(IUS)”，2010IEEE，2010年10月11日，876–885页；[8]US2005/277824A1；和[9]欧洲专利申请No.14004333.2(本说明书的优先权日前未公开)。在医学工程(例如基于超声的热疗或手术)和工业技术中的各种处理中公知采用超声向物体中的目标区段进行无接触的能量传输。通常，需要具有空间结构的超声场用于目标区段的高效辐射，其可以局部受限或可变。实用的方法使用具有固定的点或线形聚焦的可移动声发射器或具有可控焦点的相控阵源。可移动声发射器具有精确度和相对于物体的可重现的调整方面的缺点。在相控阵源中，每个像素均是需要特定的电子控制的单独的声发射器。这导致了在像素数量增加的同时的复杂性的大幅增加(特别是成本、尺寸、软件需求)，所述数量通常例如为128或256。如Meyer等人在文献[1]中所述，通过光声全息术可以获得空间结构化的超声场，其中使用强激光源来激发光吸收表面的单独的点。在文献[2]中描述了另一个用于机械波的激光-光学生成的装置。虽然这些方法提供了高的局部分辨率和动态声场，但是它们具有在复杂性以及由复杂的光学设置导致的受限的效率方面的缺点。此外，文献[1]的方法不适于连续的操作，并且即使对于产生限制在每个单独的点8kPa的低超声压也需要高激光强度。M.Molerón等在文献[3]中描述了一种菲涅耳声透镜，其具有使用小于波长的特征的非常好的声音传输性。菲涅耳声透镜的应用仅限于将声波聚焦到单聚焦点。Y.Hertzberg等在文献[4]、[5]中建议在医疗应用中使用声学全息图绕过聚焦超声中的吸收物体。利用具有986个像素的相控阵源产生声学全息图。该大量的像素引起了电子控制的高复杂性以及每个像素的相位可调节性达到π/4级的限制性。在文献[6]中公开了通过使用超声换能器的组合来产生全息超声场的超声设备。这种技术在复杂性方面具有缺点，因为每个图像元素(像素)都需要一个发射器，并且阵列内的所有发射器都必须单独控制。可以在文献[7]和[8]中找到产生超声场的其它背景。空间结构化超声场的另一个应用可用于3D快速成型领域[9]。用透射全息图产生的全息超声场用于在液体浴中的前体材料上施加声学力。得到的材料分布经受固定过程。文献[9]的技术适用于在液体浴中产生全息超声场。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于产生空间结构化的超声场的改进的超声设备和改进的方法，其中避免了传统技术的缺点和限制。特别地，超声设备和方法将能够提供空间结构化超声场的另外的实际应用并且以减小的装置和控制复杂度产生全息超声场。根据本专利技术的第一方面，上述目的通过如下解决：一种超声设备，被构造成用于产生至少一个全息超声场并包括：超声源装置，所述超声源装置适用于产生初级超声波；以及透射全息装置，其布置为与超声源装置声学接触，使得初级超声波能够穿过投射全息装置传播，从而产生二级超声波，其在周围空间中、例如在邻近的物体中产生所述至少一个全息超声场。超声源装置包括至少一个超声源元件(换能器元件)，其能够响应驱动信号(驱动电流)发出初级超声波。透射全息图装置包括透射全息图和面向周围环境的露出的声发射器表面。优选地，透射全息图是结构化的、稳定的部件，其提供初级超声波的无源、静态的变型。有利地，这使得能够利用主超声源装置提供充足的声强。此外，这使得能够实现非常明确限定的超声场，而无需复杂的相控阵源。透射全息图的复杂度仅受制造方法的限制。一旦制成，100×100像素的全息图不需要比500×500像素全息图更少或更多的控制。根据本专利技术，超声设备的声发射器表面是光滑表面。依据二级超声波的波前的形状和/或待处理的物体的表面的几何形状，声发射器表面是平面或曲面。术语“光滑表面”指的是非结构化的外表面(无台阶表面)，特别是能够透射超声而不改变超声的径向相位和/或幅度分布的表面。换言之，术语“光滑表面”不需要是理想的无台阶表面，而是可以包括不影响超声的径向场分布(或仅以可忽略的方式影响它)的形貌特征。这与全息表面形成对比，全息表面不是光滑的表面。通常，声发射器表面的表面粗糙度被减小为使得空隙(例如空气或杂质囊)在超声设备和邻近的物体之间的界面处被最小化或排除。与传统技术相比，超声设备具有以下实质优点。首先，避免了文献[4、5、6、8]中提到的控制超声源元件的相控阵的复杂性。此外，与文献[3]相反，由于透射全息图能够例如在待照射的物体中形成具有在超声波频率范围内待施加的任何特定的场分布的全息超声场，所以代替聚焦声透镜的透射全息图的应用提供了超声设备的新应用。此外，平滑的声发射器表面使得超声设备能够在实际环境中应用，例如，由医师将全息超声场应用于患者。有利地，声发射器表面使得能够克服例如根据文献[3]或[6]的传统设备的在液体浴中操作的需要。声发射器表面提供与待处理物体的表面的直接无失真接触。此外，发射器表面的光滑外形避免了可能会损坏全息超声场的污染物的粘附，并且有助于任何清洁操作。如果超声设备要与附加的声耦合层、例如从传统超声应用已知的凝胶层一起使用，则避免了在声发射器表面产生任何意外的气泡。根据本专利技术，透射全息图用于以简单的且节约成本的方式使声场结构化。这样的全息图提供高分辨率、例如至少512x512“像素”的大范围(高达几十厘米)的波前操纵。因此即使使用单个压电式换能器也可以产生任意的压力分布。与复杂的换能器阵列相比，全息图更简单、便宜并且更容易操作。根据本专利技术的第二基本方面，上述目的通过一种在物体中产生全息超声场的方法来解决，其中使用根据本专利技术上述第一方面的超声设备。超声设备被布置为与物体进行声学接触(声波接触)并且被操作为使得在物体中产生全息超声场。根据透射全息图的声学相位和/或幅度结构产生全息超声场。有利地，超声设备的超声源装置包括至少一个超声源元件，例如从传统的超声应用中已知的至少一个压电元件。根据本专利技术的优选实施例，超声源装置包括单超声源元件和超声源元件阵列、特别是超声源元件的相控阵列中的至少一者。根据第一变型，单超声源元件可以用于产生初级超声波，其穿过透射全息图传播。使用单超声源元件在超声源装置的简单装置结构和简单控制方面是有利的。根据第二变型，设置超声源元件阵列(至少两个超声源元件)。这对于附加地使待产生的初级超声波和全本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声设备(100)，其构造成用于产生全息超声场(1)，所述超声设备包括：‑超声源装置(10)，所述超声源装置适用于产生超声波(2)；以及‑透射全息图装置(20)，所述透射全息图装置具有透射全息图(21)和露出的声发射器表面(22)，所述透射全息图装置(20)与所述超声源装置(10)耦接，并且被布置成用于使所述超声波(2)透射穿过所述声发射器表面(22)以及在周围空间中产生全息超声场(1)，其中‑所述声发射器表面(22)是光滑表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.11 EP 15003540.01.一种超声设备(100)，其构造成用于产生全息超声场(1)，所述超声设备包括：-超声源装置(10)，所述超声源装置适用于产生超声波(2)；以及-透射全息图装置(20)，所述透射全息图装置具有透射全息图(21)和露出的声发射器表面(22)，所述透射全息图装置(20)与所述超声源装置(10)耦接，并且被布置成用于使所述超声波(2)透射穿过所述声发射器表面(22)以及在周围空间中产生全息超声场(1)，其中-所述声发射器表面(22)是光滑表面。2.根据权利要求1所述的超声设备，其中-所述超声源装置(10)包括单超声源元件(11)和超声源元件阵列中的至少一者。3.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中-所述超声源装置(10)适用于产生平面的或弯曲的、特别是抛物面或球面的超声波(2)。4.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中-所述透射全息图(21)具有平面的或弯曲的、特别是抛物面或球面的形状。5.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中-通过依据待产生的全息超声场(1)求解逆衍射问题来形成所述透射全息图(21)。6.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中-透射全息图(21)是依据待产生的全息超声场(1)使用误差减少算法、例如Gerchberg-Saxton通过数值近似形成的相位全息图。7.根据前述权利要求之一所述的超声设备，其中-所述透射全息图(21)具有面向所述声发射器表面(22)的全息表面(23)，以及-所述全息表面(23)由提供所述声发射器表面(22)的声波耦合层(24)覆盖。8.根据权利要求7所述的超声设备，其中所述声波耦合层(24)包括-嵌入材料(25)，所述嵌入材料覆盖所述全息表面(23)。9.根据权利要求8所述的超声设备，其中所述声波耦合层(24)还包括-盖板(26)，所述盖板覆盖所述嵌入材料(25)并且提供所述声发射器表面(22...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·梅尔德，P·菲舍尔，PK·韦伯，
申请(专利权)人：马克斯普朗克科学促进学会，弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国,DE