[发明专利]一种聚焦声透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于超声治疗技术领域，更具体地说，涉及一种聚焦声透镜的设计方法。

背景技术

高强度聚焦超声(HIFU)技术是一种有效的无损创伤治疗技术，对体内深层、固体肿瘤组织的治疗具有很好的效果，其主要是通过一定的方式使超声波透过体表后聚集在病灶组织上，经过细胞与超声的相互作用，在病灶组织内产生不可逆转的凝固性坏死，从而达到治疗的目的。目前，该技术以其无害、安全、有效等优势得到了国内外许多学者和医生的广泛关注，并已在泌尿学、肿瘤学、神经外科、妇科、眼科等医学领域中被广泛应用和推广。

超声聚焦换能器是HIFU技术的核心器件，由于HIFU技术的应用对象是有生命的活体，治疗过程中要利用高强度超声能量消除病灶，但更重要的是要保证治疗对象的安全性，因此实现超声能量精准聚焦，即超声换能器的聚焦特性的好坏是HIFU技术治疗的关键。根据聚焦方式的不同，常见的超声聚焦换能器主要有球面自聚焦换能器和声透镜聚焦换能器。其中，声透镜聚焦是利用声波在弯曲界面上的折射来达到聚焦的目的，结构简单，成本低廉，能够通过改变透镜曲率来改变焦距，适合应用于超声成像和超声治疗。然而由于声透镜聚焦换能器的聚焦效果受到声波衍射效应的影响，焦点的旁瓣幅度相对较大，在超声成像中容易导致伪影和斑点等不利效果，在超声治疗中容易对目标治疗区域周围的人体组织造成一定的损伤。

Durnin在自由空间的波动方程中发现了非衍射解[Phys.Rev.Lett.58(15)1987]，利用该理论实现的声束能够在轴向上保持稳定的幅度值。非衍射声束具有良好的声场特性，在医学成像，组织定征，多普勒流测量，材料无损检测等许多领域具有良好的应用前景，因而得到广泛研究。但这类解的算法复杂，能量激发效率不高，需要较大的空间尺度，从而限制了其推广应用。

近年来关于利用声学反常透射现象的声学人工结构的研究也取得了许多进展，在声学人工结构中利用声子晶体与基体界面上的表面波都可以获得非衍射声束(J.Appl.Phys.106(4),044512-044513,2009)。Christensen等人在声学刚性板上加上周期性凹槽结构后，利用在结构中激发的声表面波获得了声波反常透射和非衍射的效果[Nat.Phys.3(12),851-852,2007]，该理论提供了一种高效简便的激发准直声束的方法。但由于非衍射声束理论属于较新的声学原理，截止于目前，国内外学者对非衍射声束理论的研究还处于比较浅显的阶段，还没有研究能够将非衍射声束理论与聚焦超声设备相结合，也没有研究能够将声准直效应应用于超声聚焦理论。

经检索，关于提高聚焦效果的聚焦设备已有相关专利公开。

如，中国专利申请号：201510010200.X，申请日为：2015年01月08日，发明创造名称：一种基于位移本征模式的声波聚焦器件，该申请案主要是通过将金属环状结构浸没在水中作为声聚焦器件，从而将焦点的形状由椭球形压缩到一个平面附近范围内，在一定程度上可以提高声波的聚焦效果，但该申请案并没有涉及声透镜的设计和制备，其原理与本发明不同，且其对径向旁瓣幅度的抑制效果及对焦点增益的提升效果也没有提及。

又如，中国专利申请号：201210142895.3，申请日为：2012年05月07日，发明创造名称为：一种聚焦方法和装置，该申请案利用时间反转理论能够实现自适应的高精度聚焦，提高了聚焦超声的精度和超声治疗的准确性。但该申请案也没有涉及声透镜的设计和制备，其主要是针对电子相控阵列聚焦方式进行的改进，虽能够在一定程度上增强焦点的超声强度，但不能够抑制焦点处径向旁瓣的幅度，也不能减小声焦点与几何焦点之间的偏移，从而不可避免地会对目标治疗区域周围的人体组织造成一定的损伤。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服超声聚焦换能器采用现有声透镜进行聚焦时，焦点附近的径向旁瓣幅度较大，在超声治疗中会对目标区域周边的人体组织造成一定损伤的不足，提供了一种聚焦声透镜的设计方法。通过使用本发明的设计方法设计的聚焦声透镜，能够利用声波反常透射现象激发声准直效应，从而将能量更好地聚集到焦点区域，大大降低了焦点径向旁瓣的幅度，且提高了焦点的声波聚焦增益，从而提高了超声成像和超声治疗的准确性与安全性。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种聚焦声透镜的设计方法，其步骤为：