一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法，屬于超聲聚焦技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)通過在傳統(tǒng)的凹面聚焦換能器的表面上構(gòu)建超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，利用超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的空腔共振模式增強聚焦換能器的輻射效率，同時利用超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)所支持的聲表面倏逝波在空間上滿足相位匹配條件時，引起相干衍射增強效應(yīng)，實現(xiàn)對聚焦性能的改善，屬于超聲聚焦領(lǐng)域的創(chuàng)新，超構(gòu)表面滿足廣義的反射與折射斯涅爾定律，能夠?qū)崿F(xiàn)對相位的非連續(xù)調(diào)制，凹面聚焦換能器的超構(gòu)表面，通過周期波紋結(jié)構(gòu)對聲表面倏逝波的調(diào)制，能夠在特定頻率范圍調(diào)控聲場分布，從而提高主旁瓣比。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于超聲聚焦
，涉及一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法，更具體地說，是通過超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的空腔共振和相干衍射增強效應(yīng)提高輻射效率，優(yōu)化聚焦聲場，實現(xiàn)提高聚焦增益和主旁瓣比的聚焦方法。
技術(shù)介紹
聚焦換能器是醫(yī)學(xué)超聲應(yīng)用中的一種重要器件，常見的有球面自聚焦換能器和聲透鏡聚焦換能器。球面自聚焦換能器通過將壓電陶瓷制作為凹面，利用凹面輻射面直接聚焦，聚焦效果較好。高強度聚焦超聲(HIFU)技術(shù)是一種新型的無損創(chuàng)傷治療技術(shù)，對體內(nèi)的腫瘤組織具有很好的治療效果。聚焦換能器是HIFU技術(shù)中的核心元件，HIFU通常使用聚焦換能器來獲得聚焦聲場。HIFU要求在靶向區(qū)域獲得足夠大的聲能量，同時不損害靶向區(qū)域的周圍組織。生物組織中的實驗結(jié)果表明生物組織在60度下0.1s即發(fā)生熱壞死的跡象。因此研究更高性能的聚焦換能器是HIFU治療的一個關(guān)鍵問題。球面自聚焦換能器由于客觀工藝條件限制，大張角凹面聚焦換能器通常尺寸較小激發(fā)能量受限，難以在靶向區(qū)域獲得足夠的能量形成組織損傷，同時由于衍射效應(yīng)的存在，傳統(tǒng)的聚焦換能器所形成的焦點的主旁瓣比相對較低，在超聲治療時會對靶向目標(biāo)周圍的區(qū)域帶來潛在的危險。近年來聲人工結(jié)構(gòu)的研究取得了諸多進(jìn)展，其中聲超構(gòu)表面作為一種薄層超構(gòu)材料，滿足廣義的反射與折射斯涅爾定律，能夠?qū)崿F(xiàn)對聲波的非連續(xù)相位調(diào)制。超構(gòu)表面能夠?qū)崿F(xiàn)許多傳統(tǒng)的相位調(diào)制器件所不能實現(xiàn)的特殊效應(yīng)。聲超構(gòu)表面既能夠調(diào)控表面相位梯度實現(xiàn)聲異常透射和反射，也能夠?qū)崿F(xiàn)傳播波與聲表面倏逝波之間的轉(zhuǎn)化[Nat.commun.5,5553(2014)]。也有學(xué)者提出利用壓電換能器實現(xiàn)主動式的聲超構(gòu)表面改善聲波的聚焦性能[srep4,6257]。超構(gòu)表面中的周期波紋結(jié)構(gòu)在空腔共振模式下能夠在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生大量的聲表面倏逝波，當(dāng)聲波頻率滿足相位匹配條件時會引起相干透射增強[Phys.Rev.Lett.99174301(2007),Appl.Phys.Lett.101,104103(2012)]聲表面倏逝波能夠有效的耦合至輻射波，從而實現(xiàn)對輻射效率的提高。通過改變波紋結(jié)構(gòu)的深度和間隔就能夠調(diào)控聲表面倏逝波的相位使之在特定頻率滿足相位匹配條件，從而調(diào)控聲場影響遠(yuǎn)場輻射的衍射圖案。超構(gòu)表面的研究帶來許多新的聲學(xué)效應(yīng)以及潛在的聲學(xué)器件與應(yīng)用。超構(gòu)表面的性質(zhì)對于聚焦換能器聚焦性能的改善有著潛在的應(yīng)用，然而目前聲超構(gòu)表面的研究還處于比較淺顯的應(yīng)用，大部分研究其透射，反射的性質(zhì)，曲面形態(tài)下的聲超構(gòu)表面由于其物理模型更加復(fù)雜，目前相關(guān)的研究工作較少。經(jīng)檢索，中國專利申請?zhí)?01510816714.4，申請日為2015年11月23日，專利技術(shù)創(chuàng)造名稱為：一種聚焦聲透鏡的設(shè)計方法，該申請案通過在傳統(tǒng)聚焦聲透鏡的聲輻射面構(gòu)建聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)聚焦聲透鏡的聲輻射面設(shè)置周期性分布的同心環(huán)狀凹槽結(jié)構(gòu)，并采用有限元模擬計算對凹槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而能夠在特定頻率范圍內(nèi)抑制聲焦點處徑向旁瓣的幅度，同時提高聲能的聚焦增益。該申請案相比于現(xiàn)有的聲透鏡聚焦裝置，能夠有效降低徑向旁瓣幅度，提高聚焦增益，減小焦點位置的偏移。但該申請案是屬于聲透鏡設(shè)計，因聲透鏡的曲率導(dǎo)致其在聲透鏡發(fā)射界面上存在聲程差，繼而導(dǎo)致聲波有效輻射面的初始相位和透射率都有著較大的不同，使得其只能適用于小張角的情形，在大張角的情形下會出現(xiàn)多焦點等缺陷；且該申請案的物理機制是通過聲準(zhǔn)直效應(yīng)將衍射的能量集中到焦點區(qū)域從而降低旁瓣幅度，提高聚焦增益，因而該申請案只能適用于平面換能器，而不能適用于凹面聚焦換能器，在應(yīng)用上有其局限性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1.專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題本專利技術(shù)鑒于大張角凹面聚焦換能器通常由于尺寸較小，焦點處所獲得的聲能量較小，在超聲治療時難以形成損傷；同時焦點主旁瓣幅度比不高，在進(jìn)行超聲治療時會對治療區(qū)域的周邊組織造成潛在的損傷，提供了一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法；通過使用本專利技術(shù)設(shè)計的具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器，能夠通過激發(fā)空腔共振模式產(chǎn)生聲表面倏逝波并使其在輻射面上滿足相位匹配條件引發(fā)相干衍射增強效應(yīng)，提高輻射效率，進(jìn)而實現(xiàn)對焦點徑向主旁瓣幅度比的提高，從而提高超聲成像和超聲治療的準(zhǔn)確性和安全性。2.技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案為：本專利技術(shù)的一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法，其步驟為：步驟一、確定所需設(shè)計的凹面聚焦換能器的基本參數(shù)，并在所述凹面聚焦換能器上添加周期性波紋結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面；步驟二、確定波紋結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)，具體包括：波紋結(jié)構(gòu)的周期弧長間隔L0，波紋結(jié)構(gòu)的深度h0以及波紋結(jié)構(gòu)的寬度d0；步驟三、將步驟二確定的波紋結(jié)構(gòu)初始參數(shù)L0和h0代入有限元模型中計算分析主旁瓣幅度比值隨頻率的變化關(guān)系，在有限元計算模型中循環(huán)調(diào)節(jié)波紋結(jié)構(gòu)的深度h和周期間隔L，使換能器的工作頻率滿足預(yù)期要求，獲得修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)；步驟四、根據(jù)所得的波紋結(jié)構(gòu)修正后結(jié)構(gòu)參數(shù)，制備具有超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的凹面聚焦換能器。更進(jìn)一步地，步驟一中確定的凹面聚焦換能器基本參數(shù)包括曲率半徑r，換能器張角θ，工作頻率f0，及聲波在傳輸介質(zhì)中的波長λ0。更進(jìn)一步地，步驟二中通過相位匹配條件f0＝c/L，獲得在工作頻率下波紋結(jié)構(gòu)的周期弧長間隔L0，通過聲表面倏逝波激發(fā)條件，空腔共振模式f0＝(2n+1)c/4h，獲得在工作頻率下波紋結(jié)構(gòu)的深度h0，波紋結(jié)構(gòu)的寬度d0需滿足d0<L0/2。更進(jìn)一步地，步驟三中判斷：1)主旁瓣幅度比最大值頻率f1與工作頻率f0的差距是否滿足預(yù)期要求，如不滿足預(yù)期要求則相應(yīng)調(diào)整L0，繼續(xù)代入有限元模型中計算分析；2)焦點處聲壓增益隨頻率變化的曲線峰值頻率與工作頻率f0差距是否滿足預(yù)期要求，如不滿足則相應(yīng)調(diào)整h0，繼續(xù)代入有限元模型中計算分析；有限元模擬結(jié)果同時滿足以上兩點要求時，即可獲得修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。更進(jìn)一步地，步驟三判斷主旁瓣幅度比最大值頻率f1與工作頻率f0的差值需滿足的預(yù)期要求為|f1-f0|/f0<2％。更進(jìn)一步地，步驟三中主旁瓣幅度比最大值頻率f1與工作頻率f0的差距不滿足預(yù)期要求時，將L0調(diào)整為(f0/f1)L0。更進(jìn)一步地，步驟三判斷焦點處聲壓增益隨頻率變化的曲線峰值頻率fp與工作頻率f0的差值需滿足的預(yù)期要求為|fp-f0|/f0<2％。更進(jìn)一步地，步驟三中焦點處聲壓增益隨頻率變化的曲線峰值頻率fp與工作頻率f0的差值不滿足預(yù)期要求時，將h0調(diào)整為(2f0-fp)h0/f0。3.有益效果采用本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：(1)本專利技術(shù)的一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法，在傳統(tǒng)的凹面聚焦換能器表面構(gòu)建超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，利用超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的空腔共振模式增強聚焦換能器的輻射效率，同時利用超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)所支持的聲表面倏逝波在空間上滿足相位匹配條件時，引起相干衍射增強效應(yīng)，實現(xiàn)對聚焦性能的改善，屬于超聲聚焦領(lǐng)域的創(chuàng)新，超構(gòu)表面由具有周期分布的波紋結(jié)構(gòu)構(gòu)成，屬于周期調(diào)制結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)一些傳統(tǒng)相位調(diào)制器件(例如透鏡)所不能實現(xiàn)的特殊效應(yīng)，比如異常反射和折射，對相位的非連續(xù)調(diào)制，超薄超透鏡，自由空間行波與倏逝波的轉(zhuǎn)化等，且超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)具有成本低，損耗小易于集成等優(yōu)點；(2)本專利技術(shù)的一種具有超構(gòu)表面的凹面本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法，其步驟為：步驟一、確定所需設(shè)計的凹面聚焦換能器的基本參數(shù)，并在所述凹面聚焦換能器上添加周期性波紋結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面；步驟二、確定波紋結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)，具體包括：波紋結(jié)構(gòu)的周期弧長間隔L0，波紋結(jié)構(gòu)的深度h0以及波紋結(jié)構(gòu)的寬度d0；步驟三、將步驟二確定的波紋結(jié)構(gòu)初始參數(shù)L0和h0代入有限元模型中計算分析主旁瓣幅度比值隨頻率的變化關(guān)系，在有限元計算模型中循環(huán)調(diào)節(jié)波紋結(jié)構(gòu)的深度h和周期間隔L，使換能器的工作頻率滿足預(yù)期要求，獲得修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)；步驟四、根據(jù)所得的波紋結(jié)構(gòu)修正后結(jié)構(gòu)參數(shù)，制備具有超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的凹面聚焦換能器。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法，其步驟為：步驟一、確定所需設(shè)計的凹面聚焦換能器的基本參數(shù)，并在所述凹面聚焦換能器上添加周期性波紋結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面；步驟二、確定波紋結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)，具體包括：波紋結(jié)構(gòu)的周期弧長間隔L0，波紋結(jié)構(gòu)的深度h0以及波紋結(jié)構(gòu)的寬度d0；步驟三、將步驟二確定的波紋結(jié)構(gòu)初始參數(shù)L0和h0代入有限元模型中計算分析主旁瓣幅度比值隨頻率的變化關(guān)系，在有限元計算模型中循環(huán)調(diào)節(jié)波紋結(jié)構(gòu)的深度h和周期間隔L，使換能器的工作頻率滿足預(yù)期要求，獲得修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)；步驟四、根據(jù)所得的波紋結(jié)構(gòu)修正后結(jié)構(gòu)參數(shù)，制備具有超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的凹面聚焦換能器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法，其特征在于：步驟一中確定的凹面聚焦換能器基本參數(shù)包括曲率半徑r，換能器張角θ，工作頻率f0，及聲波在傳輸介質(zhì)中的波長λ0。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法，其特征在于：步驟二中通過相位匹配條件f0＝c/L，獲得在工作頻率下波紋結(jié)構(gòu)的周期弧長間隔L0，通過聲表面倏逝波激發(fā)條件，空腔共振模式f0＝(2n+1)c/4h，獲得在工作頻率下波紋結(jié)構(gòu)的深度h0，波紋結(jié)構(gòu)的寬度d0需滿足d0<L0/2。4.根據(jù)權(quán)利要求1～3任一項所述的一種具有超構(gòu)表面的凹面聚焦換能器設(shè)計方法...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃品同，章東，林洲，陳俊波，
申請(專利權(quán))人：浙江大學(xué)創(chuàng)新技術(shù)研究院有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33