一种具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控系统及方法。利用平面扇形换能器阵列的有源相控和无源结构相位调制，构建了一种具有可控避障空腔的聚焦涡旋声镊，实现了障碍物后的物体操控。通过半贝塞尔声束的阶数和波数调控自弯曲波束圆弧轨迹的曲率半径，根据障碍尺寸确定相位调制盘的中空半径，实现具有圆弧轨迹避障空腔形状和大小以及声镊轴向距离的调控；进一步通过换能器涡旋拓扑荷来调控聚焦涡旋声镊的捕获半径和捕获能力。本发明专利技术能够引导换能器阵列所发出的声波绕过骨骼和重要脏器后形成聚焦涡旋声镊，实现药物粒子的旋转捕获，还能够利用药物积聚来增强焦域的热疗效果，为聚焦涡旋声镊在生物医学中的应用提供新方法。供新方法。供新方法。

【技术实现步骤摘要】
一种具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控系统及方法


[0001]本专利技术涉及生物医学应用中的聚焦超声治疗和小物体操控(细胞、药物、结石，造影剂)领域，特别涉及一种具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控系统及方法。

技术介绍

[0002]声镊操控具有非侵入性、无辐射和良好的生物相容性等优点，在生物医学的粒子操控应用中受到了广泛的关注。涡旋声场具有独特的声场分布，可以构建涡旋声镊实现粒子的旋转捕获和中心集聚，大幅提高超声成像、靶向给药、超声治疗等的效果。常用的涡旋声场的形成方式包括有源相控技术和无源结构调控技术，有源相控技术通过在环形或二维阵列中引入相位螺旋来构建涡旋声束或聚焦声涡旋声场，具有良好的实时性、可控性和灵活性。无源结构调制通过不同结构的相位调控来产生相位螺旋，具有结构简单、实现方便，调控灵活等优点。在实际应用中，精确的相位调控是涡旋声镊形成的关键，其对声源信号缺失和强度变化十分敏感，声传播路径上的障碍物对声波的反射、吸收和散射都会影响聚焦涡旋声镊的位置、形状、大小以及相位螺旋。因此传统的平面或球面相控声源阵列构建聚焦涡旋声镊时，直线或衍射传播的声束无法透过骨骼或避开重要器官在目标区域聚焦，大大降低了涡旋声镊构建的准确性和操控能力。
[0003]虽然人工超材料可以通过改变材料的声学特性来引导声波沿着弯曲轨迹传播，但这种空间变化的材料特性不能在生物体内实现，因此需要在生物介质条件下寻找一种自弯曲波束来实现障碍物的绕射，并形成聚焦声场。研究表明，利用艾里函数的相位调制可以构建具有自加速特性和自愈合能力的无衍射自弯曲声波束，利用声束的环形对称分布可以实现声波的自聚焦。为了克服艾里波束的傍轴限制，可以通过焦散方法将射线光延伸到非傍轴区域，基于麦克斯韦方程可以实现沿圆弧传播的大角度偏转非傍轴加速波包。另外，通过换能器阵列的幅值和相位精确调控可以形成沿任意轨迹传播的自弯曲波束，并通过环形分布能够构建具有零声压的瓶状空腔结构和自聚焦声场，然而，高精度的幅度和相位的联合调制对换能器阵列和驱动电路提出了很高的要求，难以利用传统平面活塞换能器或大型相控阵实现涡旋声镊在生物医学中的应用。因此迫切需要寻找一种简便可行且灵活可控的方法来构建具有可控零声压空腔的聚焦涡旋声镊，实现其在避障操控中的应用和推广。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有声镊操控技术存在的操控能力弱、定位精度低、受障碍影响大、难以实际应用等问题，提出了一种具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控系统及方法，解决了传统涡旋声镊在遇到刚性或具有强散射特性的障碍物(如骨头)时，涡旋声场声压下降，捕获能力降低，甚至产生无法构建涡旋声镊的严重问题。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于平面扇形换能器阵列的有源相控和无源相位调制技术，构建一种具有可控避障空腔的聚焦涡旋声镊，通过二元槽型相位调制盘的结构参数设计来调控零声压避障空腔的形状和大小，以及聚焦涡旋声镊的位置
和操控半径，利用扇形换能器阵列的相位编码来确定聚焦涡旋声镊的拓扑荷，调控涡旋焦域的形状和操控能力，实现聚焦涡旋声镊的避障操控。具体步骤如下：
[0006](1)基于一维线型声源的自弯曲无衍射波束特性，利用相关自弯曲波束函数(贝塞尔函数，艾里函数，韦伯函数等)的二元相位制设计一维槽型调制结构，产生具有圆弧传播轨迹的非衍射自弯曲声束；
[0007](2)在一维槽型调制结构基础上设置中空半径R0，并绕传播轴旋转形成中空的槽型相位调制盘，安装到相同口径的平面扇形活塞换能器环形阵列上，在沿径向分布的线型声源在该结构的相位调制下产生绕轴环形对称分布的自弯曲声束，其内部形成声压为零的中空避障空腔；
[0008](3)通过相位编码技术产生N个可调控相位差的信号，分别激励环形分布的平面扇形换能器阵列，产生N个具有固定编码相位的声束，并经过槽型相位调制盘的自弯曲调制，形成一个具有圆弧轨迹的零声压避障空腔和一个拓扑荷可控的聚焦涡旋声镊；
[0009](4)通过槽型相位调制盘的结构参数和中空半径的调整，调控中空避障空腔大小和形状即底部半径和圆弧轨迹，聚焦涡旋声镊的尺寸和轴向距离，实现障碍物后的避障操控；
[0010](5)通过拓扑荷来调控聚焦涡旋声镊的形状和声压增益，进一步调节声镊的轴向和径向声辐射力和捕获范围，实现障碍物后的精确聚焦和物体的旋转捕获。
[0011]进一步的，所述步骤(1)中利用贝塞尔函数的二元相位制设计一维槽型调制结构，产生具有圆弧传播轨迹的非衍射半贝塞尔波束；具有自弯曲传播特性的半贝塞尔波束弯曲轨迹的曲率半径为β/k，β是设定的半贝塞尔波束的阶数，k为声波的波数，调制结构的高度为：
[0012][0013]其中angle[p(x,0)]为轴向传播距离z＝0时一维线型声源声压p(x,0)的二元相角0和π，p(x,0)是线型声源的贝塞尔函数分布，f是声波的频率，c
s
和c分别为相位调制盘的材料和周围介质中的声速。
[0014]进一步的，所述步骤(2)中通过一维调制结构绕传播轴的旋转形成具有中空半径的槽型相位调制盘，调制环形分布的中空平面扇形换能器阵列产生具有圆弧轨迹的自弯曲半贝塞尔声束，并实现传播轴上形成声聚焦。
[0015]进一步的，所述步骤(3)中通过相邻声源相位差为Δφ＝2πl/N的相控信号来激励平面扇形换能器阵列，形成拓扑荷可控的聚焦涡旋声镊，其中l是聚焦涡旋声镊的拓扑荷，N表示N个扇区，其最大整数拓扑荷为
±
Fix[(N
‑
1)/2]，其中Fix()为向零取整函数，其大小和正负决定涡旋声镊的旋转操控半径和方向。
[0016]进一步的，所述步骤(4)中通过槽型相位调制盘的中空半径来调节聚焦涡旋中心的轴向距离，其公式为式中R0是中空半径，β是贝塞尔波束的阶数，k为声波的波数，β/k是圆弧轨迹的曲率半径。
[0017]进一步的，所述槽型相位调制盘的中空半径需满足R0≤β/k，且其有效声源调制半径需R
‑
R0≥30mm。
[0018]基于上述的方法，本专利技术还提供了一种具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控系统，包括计算机、有源相控驱动系统、平面扇形换能器阵列，槽型相位调制盘，水听器，二维扫描控制器，步进电机、前置放大器，数字示波器；平面扇形换能器阵列与槽型相位调制盘口径相同，并采用超声耦合剂连接；计算机通过WIFI模块控制现场可编程门阵列输出相位可控的方波信号，由低通滤波产生不同相位的正弦波，经过功率放大器放大构成有源相位驱动系统来激励平面扇形换能器阵列，经过槽型相位调制盘后产生具有避障空腔的聚焦涡旋声镊；将水听器固定在步进电机悬臂上，通过二维扫描控制器控制步进电机实现水听器的二维运动，接收测量到的声压信号，水听器接收到的信号经过前置放大后由数字示波器采集。
[0019]进一步的，所述扇形换能器阵列由环形分布的N个平面扇形换能器组成，其换能器的个数满足N≥3。
[0020]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于一维线型声源的自弯曲无衍射波束特性，利用相关自弯曲波束函数的二元相位制设计一维槽型调制结构，产生具有圆弧传播轨迹的非衍射自弯曲声束；(2)在一维槽型调制结构基础上设置中空半径R0，并绕传播轴旋转形成中空的槽型相位调制盘，安装到相同口径的平面扇形活塞换能器环形阵列上，在沿径向分布的线型声源在该结构的相位调制下产生绕轴环形对称分布的自弯曲声束，其内部形成声压为零的中空避障空腔；(3)通过相位编码技术产生N个可调控相位差的信号，分别激励环形分布的平面扇形换能器阵列，产生N个具有固定编码相位的声束，并经过槽型相位调制盘的自弯曲调制，形成一个具有圆弧轨迹的零声压避障空腔和一个拓扑荷可控的聚焦涡旋声镊；(4)通过槽型相位调制盘的结构参数和中空半径的调整，调控中空避障空腔大小和形状即底部半径和圆弧轨迹，聚焦涡旋声镊的尺寸和轴向距离，实现障碍物后的避障操控；(5)通过拓扑荷来调控聚焦涡旋声镊的形状和声压增益，进一步调节声镊的轴向和径向声辐射力和捕获范围，实现障碍物后的精确聚焦和物体的旋转捕获。2.根据权利要求1所述的具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控方法，其特征在于，所述步骤(1)中利用贝塞尔函数的二元相位制设计一维槽型调制结构，产生具有圆弧传播轨迹的非衍射半贝塞尔波束；具有自弯曲传播特性的半贝塞尔波束弯曲轨迹的曲率半径为β/k，β是设定的半贝塞尔波束的阶数，k为声波的波数，调制结构的高度为：其中angle[p(x,0)]为轴向传播距离z＝0时一维线型声源声压p(x,0)的二元相角0和π，p(x,0)是线型声源的贝塞尔函数分布，f是声波的频率，c
s
和c分别为相位调制盘的材料和周围介质中的声速。3.根据权利要求1所述的具有避障操控功能的聚焦涡旋声镊操控方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过一维调制结构绕传播轴的旋转形成具有中空半径的槽型相位调制盘，调制环形分布的中空平面扇形换能器阵列产生具有圆弧轨迹的自弯曲...

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