非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法
【專利摘要】非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法，合理安置被操控區(qū)域的兩個操控超聲換能器和管道，確定三者之間的相對空間位置；將微泡懸浮液推進(jìn)到透聲管內(nèi)，啟動操控超聲換能器，使用連續(xù)正弦電信號激勵操控超聲換能器，并調(diào)節(jié)激勵電信號功率，改變微泡群在豎直方向上所受合力以控制微泡在豎直方向的移動；通過改變其激勵電信號的相位或頻率，使微泡在水平方向移動；將超聲陣列換能器放置到能夠監(jiān)控微泡群操控過程的位置，生成微泡群操控過程的微泡群小波變換超聲監(jiān)控圖像。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)超聲監(jiān)控下的單側(cè)透聲介質(zhì)中非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控，并提高微泡監(jiān)控的靈敏度。
【專利說明】非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲物理和超聲儀器領(lǐng)域以及超聲檢測與控制領(lǐng)域，特別涉及一種非 自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來單側(cè)透聲介質(zhì)中非自由場內(nèi)微泡的聲輻射力操控被生物醫(yī)學(xué)超聲以及超 聲科學(xué)儀器等領(lǐng)域重視。目前，單側(cè)透聲介質(zhì)中微泡的聲輻射力操控主要是基于行波完成 的。通常情況下，該方法使用多周期的低聲壓脈沖波產(chǎn)生的聲輻射力達(dá)到將微泡推動到遠(yuǎn) 離聲源一側(cè)管壁的目的，同時避免微泡的破裂；也有學(xué)者嘗試使用相位相反的兩組電信號 分別激勵線陣換能器左右兩側(cè)的陣元形成聲壓"凹陷區(qū)"，捕獲微米級管道內(nèi)的流動微泡。 然而，前者只能將微泡推送到遠(yuǎn)離聲源一側(cè)的管壁，而后者只實(shí)現(xiàn)微米級管道內(nèi)微泡的捕 獲，且目前基于行波的操控方式不能實(shí)現(xiàn)將微泡向聲源一側(cè)的移動、微泡二維操控、和速度 可控的微泡移動。因此，需要一種新的操控方法來實(shí)現(xiàn)靈活的多維的微泡操控。
[0003] 基于超聲駐波場的聲操控由于聲勢能阱的規(guī)律性分布，可以實(shí)現(xiàn)更為靈活有效的 微球體的移動等動作。兩個相對的超聲換能器之間可以很容易的建立超聲駐波場。目前， 基于駐波場的聲操控已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到微流體芯片領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)生物和化學(xué)領(lǐng)域所需 要的細(xì)胞和微粒的分離，收集、攪拌等功能。在上述工作基礎(chǔ)上，基于超聲駐波場的強(qiáng)聲反 射界面附近的管道內(nèi)流動微泡的聲操控，將超聲駐波場的操控方法擴(kuò)展到單側(cè)透聲介質(zhì)中 非自由場內(nèi)的微泡操控上來。盡管如此，這種單側(cè)透聲介質(zhì)中駐波場微泡操控的方法需要 一個苛刻的條件，即需要操控區(qū)域限制在強(qiáng)聲反射界面附近。同時，該方法不能實(shí)現(xiàn)二維的 微泡操控。因此需要一種同樣靈活的不需要反射界面的多維度超聲操控方法。
[0004] 在超聲成像領(lǐng)域，由于微泡振動的非線性以及其聲散射信號的非線性特征遠(yuǎn)大于 周圍介質(zhì)，微泡作為造影劑得到了廣泛的使用。目前，常用的超聲造影成像方法有：諧波成 像、諧波功率多普勒成像、脈沖逆轉(zhuǎn)成像、釋放脈沖成像等。微泡小波變換是一種較為新穎 的微泡成像方法，和前面所述的幾種方法不同之處在于該方法可以充分利用微泡振動和聲 散射回波信號的全頻段非線性特性。微泡小波變換是考慮了單個稀疏微泡的聲特性，使用 成像聲波驅(qū)動泡振動模型得到微泡的體積和半徑的變化，進(jìn)一步得到微泡的輻射聲壓及其 母小波，構(gòu)建母小波和超聲圖像回波信號的相關(guān)系數(shù)矩陣，最終形成超聲圖像矩陣。該方法 可以將介質(zhì)的線性以及非線性信號進(jìn)行抑制，提高單個稀疏微泡介質(zhì)信號比，增強(qiáng)微泡檢 測的靈敏度。然而，微泡在聲場中由于第二輻射力的作用，往往會產(chǎn)生聚集并形成微泡群。 但微泡群很難建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)振動模型。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控 方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)超聲監(jiān)控下的單側(cè)透聲介質(zhì)中非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控，并 提高微泡監(jiān)控的靈敏度。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0007] 1)選擇透聲管作為微泡懸浮液的流動通道，且該透聲管沿水平方向放置在操控區(qū) 域；第一、二操控超聲換能器布置在透聲管的一側(cè)，第一、二操控超聲換能器關(guān)于過操控區(qū) 域內(nèi)的操控中心的堅(jiān)直直線對稱，該堅(jiān)直直線與透聲管垂直相交；在透聲管和第一、二操控 超聲換能器之間填充能夠傳播超聲的介質(zhì)；其中，第一、二操控超聲換能器的中心頻率與操 控微泡所需的頻率相同；
[0008] 2)將微泡懸浮液推進(jìn)到透聲管內(nèi)，啟動第一、二操控超聲換能器，第一、二操控超 聲換能器發(fā)出操控超聲波束并聚焦在操控區(qū)域；
[0009] 3)通過使用操控微泡所需的頻率的連續(xù)正弦電信號激勵第一、二操控超聲換能 器，調(diào)節(jié)第一、二操控超聲換能器的激勵電信號功率以控制發(fā)射聲壓以及聲場中微泡群的 聲福射力大小，改變微泡群在堅(jiān)直方向上所受合力以控制微泡在堅(jiān)直方向的移動；同時，通 過改變第一、二操控超聲換能器的激勵電信號的相位或頻率，使微泡在水平方向移動；
[0010] 4)將超聲陣列換能器放置到能夠監(jiān)控微泡群操控過程的位置，獲取微泡群操控過 程的超聲回波射頻數(shù)據(jù)，構(gòu)建微泡群母小波，對微泡群母小波組進(jìn)行歸一化處理，利用歸一 化處理后的微泡群母小波對超聲回波射頻數(shù)據(jù)進(jìn)行小波相關(guān)性分析，獲取小波相關(guān)系數(shù)， 構(gòu)建微泡群小波變換超聲圖像矩陣，形成微泡群操控過程的超聲監(jiān)控圖像。
[0011] 所述的步驟2)中微泡群在堅(jiān)直方向所受合力Fm是由聲輻射力、浮力和重力產(chǎn)生 的。
[0012] 步驟3)改變微泡群在堅(jiān)直方向上所受合力Fm以控制微泡在堅(jiān)直方向的移動是根 據(jù)如下公式進(jìn)行的：
[0013] Fm = Ff-Frad-Fg
[0014] 其中，F(xiàn)f是微泡的浮力，F(xiàn)rad是微泡的聲輻射力，F(xiàn) g是微泡的重力。
[0015] 微泡的浮力Ff為：Ff = Vb P成；且Vb表示微泡的體積，P i表示微泡懸浮液的液體 的密度，g表示重力加速度；
[0016] 微泡的聲輻射力Frat^ :匕，=-<K(/)V/小vv)>，且V(t)表示隨時間t變化的微 泡的動態(tài)體積，▽/; (ζ，Γ，〇表示t時刻坐標(biāo)為（z，r)的聲壓梯度；
[0017] 微泡的重力Fg為：Fg = Vb P gg，且P g表示單個微泡內(nèi)氣體的密度。
[0018] 所述的步驟3)中改變第一、二操控超聲換能器的激勵電信號的相位能夠使第一、 二超聲換能器發(fā)出的操控波束在操控區(qū)域相互疊加干涉所形成的聲勢能阱在水平方向移 動。
[0019] 所述的步驟3)中微泡在水平方向移動的距離da是按照下式得到的：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 選擇透聲管（1)作為微泡懸浮液的流動通道，且該透聲管（1)沿水平方向放置在操 控區(qū)域；第一、二操控超聲換能器（2,3)布置在透聲管（1)的一側(cè)，第一、二操控超聲換能器 (2,3)關(guān)于過操控區(qū)域內(nèi)的操控中心的堅(jiān)直直線對稱，該堅(jiān)直直線與透聲管垂直相交；在 透聲管（1)和第一、二操控超聲換能器（2,3)之間填充能夠傳播超聲的介質(zhì)；其中，第一、二 操控超聲換能器（2, 3)的中心頻率與操控微泡所需的頻率相同； 2) 將微泡懸浮液推進(jìn)到透聲管（1)內(nèi)，啟動第一、二操控超聲換能器（2, 3)，第一、二操 控超聲換能器（2, 3)發(fā)出操控超聲波束并聚焦在操控區(qū)域； 3) 通過使用操控微泡所需的頻率的連續(xù)正弦電信號激勵第一、二操控超聲換能器（2， 3)，調(diào)節(jié)第一、二操控超聲換能器（2,3)的激勵電信號功率以控制發(fā)射聲壓以及聲場中微 泡群的聲輻射力大小，改變微泡群在堅(jiān)直方向上所受合力以控制微泡在堅(jiān)直方向的移動； 同時，通過改變第一、二操控超聲換能器（2,3)的激勵電信號的相位或頻率，使微泡在水平 方向移動； 4) 將超聲陣列換能器（4)放置到能夠監(jiān)控微泡群操控過程的位置，獲取微泡群操控過 程的超聲回波射頻數(shù)據(jù)，構(gòu)建微泡群母小波，對微泡群母小波組進(jìn)行歸一化處理，利用歸一 化處理后的微泡群母小波對超聲回波射頻數(shù)據(jù)進(jìn)行小波相關(guān)性分析，獲取小波相關(guān)系數(shù)， 構(gòu)建微泡群小波變換超聲圖像矩陣，形成微泡群操控過程的超聲監(jiān)控圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法，其 特征在于：所述的步驟2)中微泡群在堅(jiān)直方向所受合力匕是由聲輻射力、浮力和重力產(chǎn)生 的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方 法，其特征在于，步驟3)改變微泡群在堅(jiān)直方向上所受合力F m以控制微泡在堅(jiān)直方向的移 動是根據(jù)如下公式進(jìn)行的： Fm = FfUg 其中，F(xiàn)f是微泡的浮力，F(xiàn)rad是微泡的聲輻射力，F(xiàn)g是微泡的重力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法，其 特征在于： 微泡的浮力Ff為：Ff = Vb P lg ;且Vb表示微泡的體積，P i表示微泡懸浮液的液體的密 度，g表示重力加速度； 微泡的聲輻射力Frad為：Frad = -<K(/)Vp(z,/V)卜且V(t)表示隨時間t變化的微泡的 動態(tài)體積，表示t時刻坐標(biāo)為（z, r)的聲壓梯度； 微泡的重力Fg為：Fg = VbP gg，且P 8表示單個微泡內(nèi)氣體的密度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法，其 特征在于：所述的步驟3)中改變第一、二操控超聲換能器（2,3)的激勵電信號的相位能夠 使第一、二超聲換能器（2, 3)發(fā)出的操控波束在操控區(qū)域相互疊加干涉所形成的聲勢能阱 在水平方向移動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方 法，其特征在于，所述的步驟3)中微泡在水平方向移動的距離4是按照下式得到的：
其中，λ表不操控超聲的波長，Θ為第一、二操控超聲換能器（2, 3)的聲束傳播方向分 別與水平方向之間的夾角，α表示相位改變的角度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法，其 特征在于：所述的聲勢能阱在水平方向呈現(xiàn)波浪式的等間距周期分布。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法，其 特征在于：等間距周期分布的相鄰聲勢能阱的間距d用下式表示： d = λ / (2cos Θ )。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方法， 其特征在于：所述的步驟4)構(gòu)建微泡群母小波的過程為：對超聲回波射頻數(shù)據(jù)進(jìn)行帶阻濾 波，帶阻濾波器的中心頻率設(shè)置為第一、二操控超聲換能器（2, 3)的中心頻率；然后選擇操 控聲場中輪廓最清晰的微泡群的超聲回波信號作為微泡群母小波。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的非自由場內(nèi)流動微泡的二維操控及其超聲成像監(jiān)控方 法，其特征在于：所述的步驟4)中的微泡群小波變換超聲圖像矩陣是將超聲回波射頻數(shù)據(jù) 和小波相關(guān)系數(shù)進(jìn)行希爾伯特包絡(luò)檢波得到的。
【文檔編號】A61B8/00GK104287776SQ201410539141
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】萬明習(xí), 史愛偉, 宗瑜瑾, 黃佩萱, 王弟亞, 敬博文 申請人:西安交通大學(xué)