基于聲光偏轉(zhuǎn)的聚焦超聲焦點(diǎn)聲壓檢測研究.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasotmd，HIFU)已成為醫(yī)學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是21世紀(jì)新興的無創(chuàng)外科技術(shù)。隨著這項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，聚焦超聲技術(shù)迅速發(fā)展起來了。目前聚焦超聲技術(shù)產(chǎn)生的焦點(diǎn)聲壓可達(dá)到107 Pa量級，焦點(diǎn)大小可達(dá)到毫米級甚至亞毫米級，如此高的聲壓與聲強(qiáng)給聲場的測量帶來了新的挑戰(zhàn)。
　　針對目前高聲壓下的聲場測量方法存在的一些問題，例如檢測過程中所用的傳感器對聲場本身易

2、造成干擾，用于檢測的傳感器易損壞，以及檢測的理論模型參量關(guān)系復(fù)雜等，本文提出了一種基于聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)對聚焦超聲焦點(diǎn)處以及焦點(diǎn)附近聲壓進(jìn)行非侵入式檢測的方法。聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)用于檢測聲場的基本原理是利用窄的平行光束與聲場相互作用過程中，由于聲場的存在引起介質(zhì)折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致光線產(chǎn)生折射現(xiàn)象，根據(jù)光線的偏轉(zhuǎn)軌跡計(jì)算出光線的偏移量，再得出其與聲壓的關(guān)系。本文從理論和實(shí)驗(yàn)方面做了四個(gè)方面的研究：
　　(1)從聚焦聲場分布的特點(diǎn)以及非均勻介質(zhì)

3、中光線傳播的基本理論出發(fā)，將聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)創(chuàng)新的應(yīng)用于聚焦聲場的檢測。在聚焦超聲的情況下，焦域旁瓣引起介質(zhì)折射率梯度的方向相反，故光線穿過旁瓣時(shí)的偏轉(zhuǎn)近似抵消，即偏轉(zhuǎn)只與焦域主瓣的聲場有關(guān)。通過研究焦點(diǎn)聲壓與光線偏轉(zhuǎn)的具體關(guān)系，建立了光線最大偏轉(zhuǎn)距離與焦點(diǎn)聲壓變化的關(guān)系模型，從而計(jì)算出了焦點(diǎn)峰值聲壓。
　　(2)研究聲波在一個(gè)周期內(nèi)，光束穿過焦點(diǎn)時(shí)引起光線投影位置變化的規(guī)律。研究結(jié)果表明光束最大偏轉(zhuǎn)距離dmax是由恰好穿過焦點(diǎn)的光線

4、偏轉(zhuǎn)引起。由于聲波頻率很高，故遠(yuǎn)場的光斑圖像為一幅時(shí)間平均的疊加圖像，即展寬為2dmax的橢圓形光斑。
　　(3)通過研究光束分別沿焦域長、短軸方向移動時(shí)，引起光斑形狀變化的規(guī)律，建立了光線偏轉(zhuǎn)距離與長、短軸上聲壓變化的關(guān)系模型。研究表明在長、短軸方向，光束越靠近焦點(diǎn)偏轉(zhuǎn)越大，故計(jì)算的聲壓為離焦點(diǎn)最近的光線所處位置的聲壓。然而光線偏轉(zhuǎn)量的計(jì)算方式不同，在短軸方向，偏轉(zhuǎn)量為光斑最大長度的一半；在長軸方向，偏轉(zhuǎn)量為離焦點(diǎn)最近的光線相對

5、無聲場時(shí)的位移增加量。
　　(4)為了對理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，采用凹球面型聚焦換能器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過與采用光纖水聽器測量的結(jié)果進(jìn)行對比，以證明理論模型的可行性。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)得到的光斑圖像與理論分析的規(guī)律一致，且用該方法測得的焦點(diǎn)峰值聲壓與光纖水聽器測量的結(jié)果相比，相對誤差小于15％，證明該方法具有可行性，能夠定量檢測焦點(diǎn)峰值聲壓。
　　本文提出的方法不僅對聚焦聲場的檢測無干擾，對聲壓的峰值測量精確度高，而且該方法不需檢測出光強(qiáng)