[发明专利]一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法

说明书

本发明公开了一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法。本发明包括：一种实现了高强度聚焦超声声场的测量方法，其利用一套以一种高强度聚焦超声测量传感器为核心的高强度聚焦超声声场测量系统,以及运用MATLAB软件和COMSOL软件来编程反演，计算焦域声场声压。该方法具体为聚焦超声换能器发射超声声束，传播到焦域，在探针的半球面尖端发生散射，然后由PVDF压电薄膜圆环接收散射声波，PVDF压电薄膜圆环通过压电效应将声信号转化为电信号；通过COMSOL软件仿真认知散射过程，以及用MATLAB软件仿真计算得到PVDF压电薄膜圆环测量处和探针所处位置之间声压的关系，通过反演，利用实验所得数据，得到焦域的声场声压。本发明成本低且与水听器法相比，避免了因能量过大而导致传感器装置的损坏，操作简便，实用性高，误差低。

技术领域

本发明涉及超声波聚焦测量、软件仿真、传感器技术领域，特别是涉及一种基于声波散射的高强度聚焦超声声场测量方法。

背景技术

近年来，声学在各行各业的应用日益增加，尤其是在制造业，以及医疗行业，超声波技术被应用的更为广泛。特别是较为成熟的HIFU技术，其利用高强度聚焦超声使焦域处的组织瞬间凝固性坏死，焦域以外组织无显著损伤，凝固坏死组织可逐渐被吸收或瘢痕化，从而达到治疗的效果。可见高强度聚焦超声具有医疗价值，因此研究测量聚焦超声声场就具有重要意义。

目前传统的聚焦超声声场测量法为辐射力法、水听器检测法、光纤检测法、光学检测法。辐射力法是在液体中通过声辐射压力测量声功率的方法，操作简便，但是当声功率太大，水中会有空化泡群，该干扰使得测量声功率不稳定，即环境要求很高。水听器是利用把水下声压信号转换为电信号的换能器。用于做水听器的材料有压电陶瓷和PVDF，当声功率超出一定范围，压电陶瓷容易被打碎，PVDF虽然质地相对柔软，更加稳定，但是针型的PVDF依旧容易在高强度聚焦声场中损坏。光纤检测法主要是端面法、光纤光栅、声光衍射，光纤虽然体积小，空间分辨率高，但是有一定的测量要求和局限性。光学检测法是一般用来定性检测声场的，实验现象可以直接让肉眼观察声场的分布。

由于高强度聚焦超声声场的能量非常高，至今没有一种完全理想的方法全面检测高强度聚焦超声声场，现在主要是辐射力法和水听器法应用于高强度聚焦超声声场的测量。

高强度聚焦超声声场声压一般超过20MPa,负压有可能超过-10MPa，同时伴随空化等现象，当声压超过空化阈值时，空化气泡的爆破会产生极高压力，会对装置产生损坏，以及造成经济损失，实验失败。因此在测量高强度聚焦超声的过程中，寻找一种方法避免实验的损坏，又能够使测量误差在合理接受范围内，是值得引起人们的重视和研究。

发明内容

为了避免在高强度聚焦超声测量时装置的损坏，本发明提供了一种高强度聚焦超声声场测量方法，具有操作简单、成本低廉、实验部件灵敏度高、信号处理简便、可行性高等优点。

本发明方法的具体步骤是：

1）搭建一套以一种高强度聚焦超声测量传感器为核心的高强度聚焦超声声场测量系统。

该系统包含一聚焦超声换能器以及一自制的高强度聚焦超声测量传感器，其中探针是该传感器的核心部件之一，其尖端为直径1mm的半球面。测量时，将探针的圆心放置于聚焦超声换能器的焦域处，在距离探针一定距离处垂直散射方向上有一圆环，用PVDF制作，外圈采用吸声材料加固。

2）测量前，对测量系统进行调试，其后启动测量装置进行测量。

3）利用实验前计算的仿真结果，分析得到PVDF压电薄膜圆环测量处和探针所处焦域的声压关系，对采集到的信号进行处理，得到超声波聚焦区域的声场声压。