本發(fā)明涉及高強(qiáng)度聚焦超聲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聚焦超聲功率測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治療腫瘤技術(shù)具有非介入、創(chuàng)口小、康復(fù)快、且不易引起癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的優(yōu)點。而在HIFU治療中，超聲輻射的聲功率表示超聲的能量輸出，與超聲治療效果和安全性密切相關(guān)，因而，超聲輻射功率的測量具有十分重要的意義。

目前超聲功率測量方法中，輻射力法是通過測量吸收靶承載的輻射力計算出換能器發(fā)出的超聲功率，雖然操作簡便，但測量脈沖重復(fù)頻率很低的猝發(fā)純音脈沖超聲功率時，不夠靈敏且誤差較大，在大功率聲源焦域附近測量時穩(wěn)定性較差。水聽器法是利用傳感器在水下收聽聲信號，將接收到的聲壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，完成對聲場信息的收集，但水聽器靈敏度高，設(shè)備價格昂貴，且對測量系統(tǒng)要求較高，在大功率聲源作用的聲場中容易對器件造成損傷?；ヒ追ㄊ歉鶕?jù)平面活塞型換能器的衍射規(guī)律，推導(dǎo)換能器發(fā)射的聲功率，但是它易受非線性效應(yīng)的限制。量熱法是利用液體吸收超聲源輻射的聲能轉(zhuǎn)化為熱，測量液體上升的溫度來確定超聲聲功率，所以要求量熱系統(tǒng)不與外界發(fā)生熱交換，但是換能器本身也會由于機(jī)械損耗和介電損耗發(fā)熱，使工作液體溫度升高，傳入到量熱系統(tǒng)中，引起一定的誤差。因此，這幾種測量HIFU換能器聲功率的方法雖然能在一定范圍內(nèi)滿足聲功率測量要求，但是其測量精度、速度和復(fù)雜度不能達(dá)到精準(zhǔn)測量和方便應(yīng)用的目的，需要尋找一種簡便精準(zhǔn)的聚焦超聲功率測量的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)穩(wěn)定性差、精確度低等問題，提出了一種基于焦域軸向最大振速的聚焦超聲功率測量系統(tǒng)及方法，利用聚集換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和焦域軸向最大振速來恢復(fù)焦域所抵消徑向振動所包含的能量，實現(xiàn)聲功率的精確測量。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種基于焦域軸向最大振速的聚焦超聲功率測量系統(tǒng)，包括計算機(jī)、函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集器、激光解碼器、激光探頭以及置于水中的HIFU換能器和反光膜，所述HIFU換能器依次連接有功率發(fā)大器、函數(shù)信號發(fā)生器、計算機(jī)，此外，計算機(jī)還通過數(shù)據(jù)采集器、激光解碼器連接至激光探頭，所述HIFU換能器、反光膜和激光探頭的軸線順序重合。

進(jìn)一步，步驟(1)所述HIFU換能器為球殼聚焦換能器，半徑a為1～20cm，焦距R大于半徑。

進(jìn)一步，所述反光膜的尺寸大于1cm²，厚度小于100μm。

一種基于焦域軸向最大振速的聚焦超聲功率測量方法，包括以下步驟：

(1)計算機(jī)控制函數(shù)信號發(fā)生器輸出與HIFU換能器中心頻率相同的正弦信號，經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動HIFU換能器產(chǎn)生超聲信號，經(jīng)過水傳播后產(chǎn)生聚焦，同時將反光膜移至和焦距相應(yīng)的距離上，使反光膜產(chǎn)生最大振動；

(2)調(diào)整激光探頭方向使反光膜的反射光最強(qiáng)，并和激光探頭的入射光在探頭輸出端形成穩(wěn)定的干涉信號，經(jīng)過激光解碼器和數(shù)據(jù)采集器，獲得反光膜測量點上的振動位移和振速波形，調(diào)整激光探頭的位置，尋找反光膜上焦平面的中心來獲取焦點軸向振速V_z；

(3)根據(jù)換能器表面振速換能器表面振速u_a和焦點軸向振速V_z之間的線性關(guān)系，以及HIFU換能器的半徑a和焦距R，HIFU換能器的聲功率W和V_z²成正比的關(guān)系，利用所測量的V_z來計算HIFU聚焦換能器的聲功率。

進(jìn)一步，步驟(3)換能器表面振速u_a和焦點軸向振速V_z的關(guān)系為：

其中是焦域軸向最大振速的增益系數(shù)，k＝ω/c₀是聲波的波數(shù)，ω是聲波頻率，c₀是水中的聲速，通過測量的V_z計算出換能器表面振速u_a。

進(jìn)一步，步驟(3)HIFU換能器的聲功率W和焦點軸向振速V_z的關(guān)系為：

其中是基于焦點軸向最大振速的聲功率系數(shù)，I是HIFU換能器表面聲強(qiáng)，S是HIFU換能器效聲源面積，ρ₀和c₀是水的密度和聲速。

有益效果：本發(fā)明利用聲傳播理論，建立了聚焦超聲的治療模型，并針對已知結(jié)構(gòu)參數(shù)的換能器，以及換能器輻射聲功率和焦域軸向振速以及換能器表面振速的關(guān)系，通過所測量的焦域軸向最大振速來計算聚焦換能器的聲功率，能有效恢復(fù)焦域所抵消的徑向振動的能量，實現(xiàn)聚焦超聲功率的精確測量，為聚焦超聲功率的測量和校準(zhǔn)提供了一種新技術(shù)，在HIFU治療系統(tǒng)的質(zhì)量檢測和實際應(yīng)用中有著良好的推廣價值。

附圖說明

圖1為聚焦超聲功率測量系統(tǒng)示意圖；

圖2為聚焦超聲功率計算原理圖；

圖3(a)(b)為不同表面振速下大口徑換能器焦平面質(zhì)點振速徑向分布及其和表面振速的關(guān)系；

圖4為換能器表面振速為5mm/s時聚焦聲場質(zhì)點振速的軸向分布；

圖5(a)(b)為在幾種信號激勵下大口徑換能器的表面振速和焦域軸向最大振速；

圖6為兩種換能器的表面振速和焦域軸向最大振速的關(guān)系；

圖7為兩種換能器的焦域軸向最大振速和聲功率的關(guān)系；

圖8為保持V_z＝200mm/s時，換能器聲功率和焦距的關(guān)系；

圖9為保持V_z＝200mm/s時，換能器聲功率和口徑的關(guān)系。

具體實施方式

下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實施例。

實施例：一種基于焦域軸向最大振速的聚焦超聲功率測量系統(tǒng)，如圖1所示，包括計算機(jī)、函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集器、激光解碼器、激光探頭、透光玻璃以及置于水中的HIFU換能器和反光膜。HIFU換能器與功率發(fā)大器、函數(shù)信號發(fā)生器、計算機(jī)依次相連，此外，計算機(jī)還通過數(shù)據(jù)采集器、激光解碼器連接至激光探頭。HIFU換能器和反光膜置于水中，HIFU換能器、反光膜和激光探頭依次排列且軸線重合。HIFU換能器在水中產(chǎn)生的超聲波在反光薄膜反光膜處產(chǎn)生聚焦，使其產(chǎn)生振動，激光探頭發(fā)射出的激光通過透光玻璃反射測量焦域平面上的軸向最大振速，實現(xiàn)HIFU超聲功率的測量。

本實施例大口徑HIFU換能器是球殼HIFU換能器，半徑a為5cm，焦距R為10cm，中心頻率1.13MHz。函數(shù)信號發(fā)生器輸出中心頻率與HIFU換能器相同的、在50mV至130mV電壓幅值范圍內(nèi)以10mV的步進(jìn)方式輸出連續(xù)正弦信號。激光探頭、數(shù)據(jù)采集器和激光解碼器在激光反射處振動的位移分辨率0.02pm，振速分辨率3μm/s，頻率范圍30kHz-24MHz，完全滿足常規(guī)HIFU換能器焦域聲場的精確測量。反光膜是圓形的，直徑為4cm，厚度為5μm，由于反光膜厚度遠(yuǎn)小于水中聲波的波長，聲波可以認(rèn)為完全透過薄膜而不產(chǎn)生反射和吸收，同時會使水產(chǎn)生和薄膜等幅同相的運(yùn)動。

激光探頭的型號為Polytec OFV-503，將激光探頭垂直于反光膜放置，調(diào)節(jié)探頭方向使反射光最強(qiáng)，并和入射光形成穩(wěn)定的干涉信號輸出。激光解碼器的型號為Polytec OFV-2570HF，經(jīng)過激光解碼器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得測量點上的質(zhì)點振動位移和振速波形。所用的HIFU換能器和反光膜被固定導(dǎo)軌支架上來保證其聲軸與光軸的重合，同時將激光探頭安裝在三維精密移動系統(tǒng)中，通過位移控制來尋找焦平面的中心來獲得焦域軸向最大振速，進(jìn)而結(jié)合HIFU換能器的有效聲源面積即可計算其輻射聲功率。

采用上述裝置的測量方法如下：

(1)計算機(jī)控制函數(shù)信號發(fā)生器輸出與HIFU換能器中心頻率相同的正弦信號，經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動HIFU換能器產(chǎn)生超聲信號，通過水傳播后聚焦，同時將圓形反光膜移至和焦距相應(yīng)的距離上，使反光膜產(chǎn)生最大振動。

(2)通過調(diào)整激光探頭方向使反射光最強(qiáng)，并和激光探頭的入射光在探頭輸出端形成穩(wěn)定的干涉信號輸出，經(jīng)過激光解碼器和數(shù)據(jù)采集，獲得激光反射測量點上的振動位移和振速波形，調(diào)整激光探頭的位置，尋找反光膜上焦平面的中心來獲取最大的焦域振速V_z。

(3)根據(jù)換能器表面振速換能器表面振速u_a和焦點軸向振速V_z之間的線性關(guān)系，以及對于HIFU換能器的半徑a和焦距R，HIFU換能器的聲功率W和V_z²成正比的關(guān)系，利用所測量的V_z來計算HIFU換能器的聲功率。

如圖2所示，在同一信號激勵下，HIFU換能器表面上各點沿著徑向做同振幅、同相位的振動，其聚焦過程可以看成球面上無數(shù)個微小脈動球源聲輻射的總和，其中每一個聲源可以看成是一個球面輻射。圖中代表聲源位置，S'是焦域中心，v_|s'-s|是焦點的振速，v_z和v_r分別是軸向和徑向振速，R是焦距，l和θ是聲源到焦點的距離及其和中心軸線的夾角?；谇蛎孀鴺?biāo)中聲傳播理論，焦點軸向振速可表示為：

其中，HIFU換能器的焦點軸向振速增益可以表示為反之，通過焦點軸向振速的測量可以計算出換能器的表面振速：

在換能器表面振速沒有產(chǎn)生明顯非線性的條件下，水中聲傳播的損耗較小，換能器的表面聲壓和聲強(qiáng)可以分別表示為：

考慮換能器的有效聲源面積其輻射聲功率為：

其中是基于焦點軸向振速的功率系數(shù)。

圖3(a)顯示了大口徑換能器表面振速分別為1，2，3，4和5mm/s時焦平面振速的徑向分布?？梢娫诓煌砻嬲袼傧拢蛊矫娴恼袼俪尸F(xiàn)中間大(r＝0)兩邊小(r＝1.6mm)的分布；隨著表面振速的增大，焦平面中心處的振速增大，但是焦點位置保持不變，振速的徑向分布基本不變；同時還可以發(fā)現(xiàn)平面的中心振速和換能器表面振速呈現(xiàn)線性關(guān)系，滿足線性疊加的基本原理，如圖3(b)所示。

圖4顯示了換能器表面振速5mm/s(振幅5nm)時HIFU聲場的質(zhì)點振速二維分布圖，圖中箭頭大小和方向分別表示質(zhì)點振速大小和方向?？梢娊褂蛑行奶幍恼袼龠h(yuǎn)大于其他位置的振速，且其振動方向沿聲場軸向，而該處的徑向振動相互抵消為0，這為焦點軸向振速測量的準(zhǔn)確性提供了理論依據(jù)。

在不同輸出信號幅度條件下，實驗測量的焦點軸向最大振速V_z和換能器的表面振速u_a如圖5(a)和(b)所示，可見隨著輸入信號幅度的增加，換能器表面振速u_a和焦點軸向振速V_z相應(yīng)提高，二者存在一個基本固定的由結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定的比例關(guān)系G_V。進(jìn)一步得到實驗測量換能器表面振速u_a和焦點軸向振速V_z的關(guān)系如圖6的實心離散點所示，其分布和理論結(jié)果基本一致，反映二者良好的線性關(guān)系。將實驗測量的換能器焦點軸向振速V_z分別帶入到公式(5)中，計算得到的聲功率如圖7的黑色離散實心點所示，其分布和理論計算結(jié)果的分布基本一致，進(jìn)一步證明了所提測量方法的準(zhǔn)確性。

實施例2：與實施例1大致相同，所不同的是，將HIFU換能器替換為小口徑換能器，直徑3.7cm，焦距22cm，頻率352kHz。用同樣的方法對小口徑換能器進(jìn)行了換能器表面振速u_a和焦點軸向振速V_z激光測量。

得到V_z與u_a的關(guān)系如圖6實心離散點所示，而W和V_z與功率的關(guān)系圖7實心離散點所示，實驗和理論以及數(shù)值計算高度一致的結(jié)果進(jìn)一步證明了具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)換能器的V_z和聲功率的關(guān)系。另外，計算得到實驗大小口徑換能器的G_V均值約為62.4和1.31，G_W均值為3.42和976.9，和理論結(jié)果基本相近，進(jìn)一步實驗證明了結(jié)構(gòu)參數(shù)對HIFU焦點軸向振速增益和功率系數(shù)的重大影響。

因此，在已知HIFU換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，通過對HIFU焦域軸向最大振速的測量，可以計算出換能器的輻射聲功率，為聚焦超聲功率的精確測量提供了一種非接觸的快速測量方法。

為了證明所提出的利用軸向振速V_z來計算換能器表面振速u_a和聲功率W的方法，將實施例1、2兩種換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入到公式(2)，理論計算得到換能器表面振速u_a和焦點軸向振速V_z關(guān)系，其結(jié)果如圖6的實線所示?？梢妼τ诮Y(jié)構(gòu)參數(shù)(a，R)一定的換能器，焦點軸向振速V_z隨著換能器表面振速u_a的提高而線性增大，其斜率由R和a及其G_V所決定。對比圖6中大口徑和小口徑換能器u_a和V_z關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)在換能器R變長、a變小情況下，在相同換能器表面振速條件下，大口徑換能器的焦點軸向振速遠(yuǎn)大于小口徑換能器的焦點軸向振速。另外，利用有限元數(shù)值計算得到u_a和V_z關(guān)系如圖6中的離散點所示，其分布和理論計算結(jié)果基本一致，證明了u_a和V_z存在線性關(guān)系。結(jié)合公式(1)，焦點軸向振速增益和a²成正比，且和R²成反比，同時還受到的影響。經(jīng)計算得到大小口徑兩種換能器的焦點軸向振速增益G_V分別約為60.37和1.17，表示在相同換能器表面振速條件下，大口徑短焦距換能器所產(chǎn)生的V_z更大。

由公式(5)可知，對于結(jié)構(gòu)參數(shù)(a，R)已知的換能器，W和V_z²成正比，通過焦點軸向振速V_z的測量就可以計算換能器的輻射聲功率W?；趯嶒炗脫Q能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用公式(5)理論計算得到輻射聲功率和焦點軸向振速的結(jié)果如圖7實線所示，同時將數(shù)值計算結(jié)果用離散空心點表示作為比較，可見理論計算結(jié)果和數(shù)值計算仿真結(jié)果吻合較好，準(zhǔn)確反映了輻射聲功率和焦點軸向振速的平方關(guān)系。對于大小口徑的換能器，其G_W分別為3.39和1156.1，反映大口徑換能器軸向振速分量較大，輻射聲功率隨V_z的上升速度較慢，即在測量到相同V_z時小口徑換能器的功率更大。

在保持換能器焦點軸向最大振速V_z＝200mm/s的條件下，分別對半徑a＝3,4,5和6cm的四種換能器進(jìn)行了焦距范圍6-15cm的輻射聲功率進(jìn)行理論計算，得到如圖8的聲功率W和焦距R的分布關(guān)系。可見在相同軸向振速V_z時，對于同一換能器口徑，焦距越大，輻射聲功率越大；對于同一焦距，換能器口徑越小，輻射功率越大。同樣在保持換能器焦點軸向最大振速V_z＝200mm/s的條件下，分別對聚焦R＝10、12、14和16cm的四種換能器進(jìn)行了半徑范圍1-8cm的輻射聲功率的計算，得到如圖9的聲功率和半徑的分布關(guān)系?？梢娫谳S向振速V_z不變時，焦距固定換能器的輻射聲功率隨著半徑的增加而減小，對于相同口徑換能器，焦距越大，聲功率越高。