相關(guān)申請

本申請要求2014年9月5日提交的序列號為no.62/046,654的美國臨時專利申請的權(quán)益，其所有的公開內(nèi)容通過引用合并于此。

關(guān)于聯(lián)邦贊助研究或發(fā)展的聲明

本發(fā)明是在政府支持下完成的，其批準號為1r01dk092197-02,2p01dk043881-15,2r01eb007643-05以及2t32dk007779-11a1，由國立衛(wèi)生研究院頒發(fā)。政府享有本發(fā)明的一定的權(quán)利。

背景技術(shù)：

除非此處另有說明，該部分所描述的內(nèi)容并非相對于本申請權(quán)利要求而言的現(xiàn)有技術(shù)，也并非通過引用到該部分中而被承認為現(xiàn)有技術(shù)。

目前已知的使用超聲波在聲學(xué)上限制或移動物體的方法在移動或限制某些物體時并不起作用。例如，這些方法并不適用于移動或限制較大的物體、質(zhì)量密度高的物體，或聲波在其中傳輸速率高的物體，例如腎結(jié)石。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一個示例性方法包括將聚焦超聲波發(fā)射到介質(zhì)中以形成(i)位于介質(zhì)中的、具有第一聲壓強范圍的超聲強度阱；以及(ii)介質(zhì)的周邊區(qū)域，其圍繞所述超聲強度阱且具有一超過第一聲壓強范圍的第二聲壓強范圍。該方法還包括將物體限制在超聲強度阱中。

一示例性聲學(xué)透鏡被配置為聲學(xué)地耦合到一聲學(xué)換能器。該聲學(xué)透鏡具有縱向變化的厚度，其隨著該聲學(xué)透鏡的方位角的增加而成比例地增加。

另一示例性聲學(xué)透鏡被配置為聲學(xué)地耦合到一聲學(xué)換能器。該聲學(xué)透鏡包括多個區(qū)段。該多個區(qū)段中的每一個具有縱向變化的厚度，其隨著區(qū)段的方位角的增加而成比例地增加。

一個示例性的裝置包括聲學(xué)換能器、一個或多個處理器以及計算機可讀介質(zhì)。該計算機可讀介質(zhì)存儲指令，該指令被所述一個或多個處理器執(zhí)行時使所述聲學(xué)換能器執(zhí)行多種功能。這些功能包括將聚焦超聲波發(fā)射到介質(zhì)中以形成(i)位于介質(zhì)中的、具有第一聲壓強范圍的超聲強度阱；以及(ii)介質(zhì)的周邊區(qū)域，其圍繞所述超聲強度阱且具有一超過第一聲壓強范圍的第二聲壓強范圍。該功能還包括將物體限制在超聲強度阱中。

一種示例性計算機可讀存儲介質(zhì)，其存儲指令，所述指令在被包括聲學(xué)換能器和/或聲學(xué)透鏡的計算裝置執(zhí)行時可使所述聲學(xué)換能器和/或所述聲學(xué)透鏡執(zhí)行功能。這些功能包括將聚焦超聲波發(fā)射到介質(zhì)中以形成(i)位于介質(zhì)中的、具有第一聲壓強范圍的超聲強度阱；以及(ii)介質(zhì)的周邊區(qū)域，其圍繞所述超聲強度阱且具有一超過第一聲壓強范圍的第二聲壓強范圍。該功能還包括將物體限制在超聲強度阱中。

當文中使用術(shù)語“基本上”或“約”時，其意味著所描述的特征、參數(shù)或數(shù)值并不需要被精確地達到，但偏差或變化(包括例如容差、測量誤差、測量精度限制和本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他因素)可被控制在不會影響意圖實現(xiàn)的特征的效果的程度范圍內(nèi)，在此處公開的一些示例中，“基本上”或“約”指所描述數(shù)值的+/-5％內(nèi)。

如此處使用的，術(shù)語“超聲”可通常指頻率高于人類可察覺的一般頻率范圍(例如，20hz-20khz)的聲波，但該術(shù)語并不被應(yīng)該被解釋為排除了那些包括頻率落入人類可察覺的一般頻率范圍聲波的實施例。

通過閱讀下文詳細說明，并參照合適的附圖，這些以及其他方面、優(yōu)點和可替代方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得清楚。

附圖說明

圖1為示例性聲學(xué)換能器裝置的簡化框圖；

圖2示出了一個示例性的聲學(xué)換能器；

圖3示出了一個被配置為相移和聚焦超聲波的組成部分的示例性聲學(xué)透鏡；

圖4示出了另一個被配置為相移和聚焦超聲波的組成部分的示例性聲學(xué)透鏡；

圖5的框圖示出了一個利用超聲波限制或移動物體的示例性方法；

圖6示出了示例性的超聲波；

圖7a、7b、7c、7d和7e示出了介質(zhì)的焦平面內(nèi)對應(yīng)于各種l值所測得的壓強幅值；

圖8示出了一個示例性聲學(xué)透鏡對介質(zhì)的一焦平面內(nèi)所測壓強幅值的影響；

圖9a、9b、9c、9d示出了使用超聲波限制或移動物體；

圖10示出了通過超聲波提供的機械力矩旋轉(zhuǎn)一示例性物體。

具體實施方式

如上文所述，現(xiàn)有的使用超聲波移動或限制物體的方法對于大尺寸和高質(zhì)量密度的物體是不起作用的。此處公開的方法和系統(tǒng)適用于移動或限制比使用現(xiàn)有方法能夠限制或移動的物體更大和/或更致密的物體。例如，聲學(xué)換能器可將聚焦超聲波發(fā)射到介質(zhì)中以形成(i)位于介質(zhì)中的、具有第一聲壓范圍的超聲強度阱；以及(ii)介質(zhì)的周邊區(qū)域，其圍繞超聲強度阱且具有一超過第一聲壓范圍的第二聲壓范圍。在一些實施例中，超聲強度阱可為由介質(zhì)的周邊區(qū)域限定的略微圓形。通過在物體周圍形成超聲強度阱或控制一預(yù)形成的超聲強度阱從而圍繞該物體，可將該物體限制在該超聲強度阱內(nèi)。還可以(機械地或和/或電子地)控制超聲強度阱從而在介質(zhì)內(nèi)移動該物體。更特別地，可使該物體在橫向于超聲波的傳播方向的方向上移動。

在一個實施例中，可通過聲學(xué)換能器向超聲波施加漸近相移。聲學(xué)換能器可包括m個排列成圓形圖案的(壓電)換能器元件。m個換能器元件中的每一個可發(fā)射超聲波中的相應(yīng)組份，該組份相對于相鄰換能器元件發(fā)射的超聲波組份相移2πl(wèi)/m弧度。l可以為非零整數(shù)，m可以例如大于等于3。代表超聲波的各個相移組份的輸入信號可通過例如信號發(fā)生器而被提供給相應(yīng)的換能器元件。通過這種方式，漸進相移相對于發(fā)射聲波各個組份的聲學(xué)換能器的方位角被施加給超聲波，從而形成超聲強度阱。通過(電子地)增加l的幅度可增加超聲強度阱的直徑，通過(電子地)降低l的幅度可降低超聲強度阱的直徑。

在另一個實施例中，通過第一聲學(xué)透鏡向超聲波施加漸近相移。第一聲學(xué)透鏡可具有縱向變化的厚度，其隨著第一聲學(xué)透鏡的方位角的增加而成比例地增加。例如，單相聲學(xué)換能器可以第一方位角θ＝θ1將超聲波的第一組份發(fā)射穿過第一聲學(xué)透鏡，并且該第一聲學(xué)透鏡可向該第一組份施加第一相移l*θ1。l可以為由該第一聲學(xué)透鏡的縱向變化厚度限定的非零整數(shù)。聲學(xué)換能器也可以第二方位角θ＝θ2將超聲波的第二組份發(fā)射穿過第一聲學(xué)透鏡，并且該第一聲學(xué)透鏡可向該第二組份施加第二相移l*θ2。通過這種方式，漸進相移相對于發(fā)射聲波各個組份的聲學(xué)換能器的方位角被施加給超聲波，從而形成超聲強度阱。通過增加l的大小可(例如，通過增加第一聲學(xué)透鏡的厚度)增加超聲強度阱的直徑，通過降低l的大小(例如，通過降低第一聲學(xué)透鏡的厚度)可降低超聲強度阱的直徑。在一些實施例中，第一聲學(xué)透鏡還可包括具有彎曲表面的額外部分，該彎曲表面被配置為將超聲波的各種組份聚焦到介質(zhì)的焦平面中。

在另一個實施例中，通過一包括p個區(qū)段的第二聲學(xué)透鏡向超聲波施加漸近相移。p個區(qū)段中的每一個可具有變化的縱向厚度，其隨著區(qū)段的方位角的增加而成比例地增加。單相聲學(xué)換能器可以第一方位角θ＝θ3將超聲波的第一組份發(fā)射穿過第二聲學(xué)透鏡。該第二聲學(xué)透鏡可向該第一組份施加第一相移l*θ3。l可以為p的整數(shù)倍。聲學(xué)換能器也可以第二方位角θ＝θ4將超聲波的第二組份發(fā)射穿過第二聲學(xué)透鏡。該第二聲學(xué)透鏡可向該第二組份施加第二相移l*θ4。通過這種方式，漸進相移相對于發(fā)射聲波各個組份的聲學(xué)換能器的方位角被施加給超聲波，從而形成超聲強度阱。通過增加l的大小可(例如，通過增加第二聲學(xué)透鏡的區(qū)段的數(shù)量p)增加超聲強度阱的直徑，通過降低l的大小(例如，通過減少p)可降低超聲強度阱的直徑。在一些實施例中，第二聲學(xué)透鏡還可包括具有彎曲表面的第二部分，該彎曲表面被配置為將超聲波的各種組份聚焦到介質(zhì)中。

參考附圖，圖1示出了一個示例性的聲學(xué)換能器裝置100，其被配置為通過向介質(zhì)116中發(fā)射聚焦超聲波114而在介質(zhì)116中移動或限制物體122。裝置100可包括處理器102、數(shù)據(jù)存儲器104、輸入/輸出界面106、傳感器模塊108以及聲學(xué)換能器110，它們中的任意一個或全部可通過系統(tǒng)總線或另一連接機構(gòu)111相互交互性地耦合。在一些實施例中，裝置100還可包括聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110的聲學(xué)透鏡112。

處理器102可包括被配置為執(zhí)行存儲在數(shù)據(jù)存儲器104中的程序指令的通用處理器和/或?qū)Ｓ锰幚砥?。在一些實施例中，處理?02可為多核處理器，其由一個或多個被配置為協(xié)作執(zhí)行存儲在數(shù)據(jù)存儲器104中的指令的處理單元組成。在一個實施例中，通過執(zhí)行存儲在數(shù)據(jù)存儲器104中的程序指令，處理器102可向聲學(xué)換能器110提供輸入信號或信號參數(shù)，以發(fā)射、控制和/或聚焦超聲波114。在另一個實施例中，處理器102可基于經(jīng)由輸入/輸出界面106接收的輸入而向聲學(xué)換能器110提供輸入信號或信號參數(shù)。

數(shù)據(jù)存儲器104可包括一個或多個易失性、非易失性、可移除性和/或非可移除性存儲器部件。數(shù)據(jù)存儲器104可為磁、光或閃存存儲介質(zhì)，并可被整體或部分地集成到處理器102或裝置100的其它部分。另外，數(shù)據(jù)存儲器104可為非瞬時性計算機可讀存儲介質(zhì)，其中存儲有程序指令，該程序指令被處理器102執(zhí)行時使裝置100執(zhí)行本申請中描述的任何功能。這種程序指令可以為能夠響應(yīng)于從例如輸入/輸出界面106接收的輸入而被執(zhí)行的軟件應(yīng)用的一部分。數(shù)據(jù)存儲器104還可存儲其它類型的信息或數(shù)據(jù)，諸如本申請通篇描述的類型。

如果適用，輸入/輸出界面106可實現(xiàn)與裝置100用戶的交互。輸入/輸出界面106可包括輸入組件，諸如刻度盤、按鈕、鍵盤、鼠標、小鍵盤或觸摸板，以及輸出組件，諸如顯示器(其例如可與觸摸板結(jié)合)、揚聲器和觸摸式反饋系統(tǒng)。在一個實施例中，輸入/輸出界面106可接收指示如下內(nèi)容的輸入：(i)限定超聲波114的各種參數(shù)；和/或(ii)用于控制或聚焦超聲波114至介質(zhì)116的各個部分的各種參數(shù)。

在一些實施例中，輸入/輸出界面106可包括用于顯示物體122的圖像或由傳感器模塊108收集的其它傳感數(shù)據(jù)的顯示屏。將超聲波114合適地定位到物體122上或其附近通常涉及表征物體122的尺寸、形狀、位置和/或一致性。顯示屏可顯示物體122的被傳感器模塊108捕捉到的圖像。所顯示的物體122的圖像可在發(fā)射超聲波114之前被使用，或者可通過監(jiān)測物體122的位置而在超聲波被發(fā)射的同時而被實時地使用。

傳感器模塊108可包括被配置為在發(fā)射超聲波114之前、之中或之后從物體122或介質(zhì)116收集傳感數(shù)據(jù)的任何已知的硬件和/或軟件。例如，傳感器模塊108可包括圖像系統(tǒng)以捕捉物體122的圖像并將捕捉到的圖像提供給輸入/輸出界面106以供顯示。傳感器模塊108可包括(額外的)聲學(xué)換能器，其被配置為(i)產(chǎn)生被物體122散射和/或反射的超聲波；(ii)探測被物體122反射和/或散射的超聲波；以及(iii)利用探測到的超聲波產(chǎn)生物體122的圖像。在另一實施例中，傳感器模塊108可包括磁共振成像(mri)系統(tǒng)。此處可考慮任何已知的適于對位于人體或各種其它介質(zhì)116中的物體成像的技術(shù)。

在一些實施例中，傳感器模塊108可與聲學(xué)換能器110集成。例如，單個聲學(xué)換能器或換能器陣列可用于移動/限制物體122以及對物體122成像。

聲學(xué)換能器110可包括被配置為從處理器102和/或輸入/輸出界面106接收代表超聲波114的參數(shù)的數(shù)據(jù)或信號的信號發(fā)生器。例如，處理器102可向聲學(xué)換能器110發(fā)送表示經(jīng)由輸入/輸出界面106接收的輸入的數(shù)據(jù)。在另一實施例中，所接收的輸入可僅僅指示由存儲在數(shù)據(jù)存儲器104中的程序指令表示的多個預(yù)設(shè)超聲波傳輸協(xié)議中的一個。這種由聲學(xué)換能器110接收的數(shù)據(jù)可指示各種超聲參數(shù)，諸如超聲換能器110的工作功率、超聲波114的功率密度、超聲波114的振蕩頻率、超聲波114的脈沖持續(xù)時間、超聲波114的占空比以及待生成的超聲脈沖的數(shù)量，等等。所接收的數(shù)據(jù)還指示物體122即將移動時所沿的介質(zhì)116位置的軌跡、路徑或順序。在另一實施例中，可手動和/或機械地對超聲波114的路徑進行導(dǎo)向。在一些實施例中，聲學(xué)換能器110可包括一個放大器，其用以所需功率產(chǎn)生超聲波114。

聲學(xué)換能器110可包括一個或多個壓電換能器元件，其被配置為響應(yīng)于接收代表超聲波114的組份的相應(yīng)輸入信號而發(fā)射超聲波114的組份。例如，超聲換能器110可包括換能器元件的相控陣，其被配置為電子地聚焦或控制超聲波114至介質(zhì)116和/或物體122的各個部分。聲學(xué)換能器110的每個換能器元件可接收各自的獨立的輸入信號或數(shù)據(jù)。聲學(xué)換能器110還可包括一個或多個具有對應(yīng)于超聲波114/介質(zhì)116的焦平面的曲率半徑的換能器元件。聲學(xué)換能器110可被配置為產(chǎn)生振蕩頻率從20khz-10mhz的超聲波，但其它實施例也是可以的。

在另一實施例中，聲學(xué)換能器110僅包括一個換能器元件，或僅被提供有一個單相輸入信號。此處，聲學(xué)換能器110可聲學(xué)地耦合到聲學(xué)透鏡112以產(chǎn)生具有漸進相移的超聲波114。

在一些實施例中，聲學(xué)透鏡112可基于超聲波114的各個組份穿過聲學(xué)透鏡112的區(qū)域而向各個組份施加不同度數(shù)的相移。聲學(xué)透鏡112可包括任何聲速不同于介質(zhì)116的材料。即，聲學(xué)波(例如，聲波/超聲波)可以各自的速度傳播通過聲學(xué)透鏡112和介質(zhì)116。聲學(xué)透鏡112可由諸如塑料、陶瓷和/或金屬材料制成。在一個實施例中，聲學(xué)透鏡112包括uv固化光聚合塑料accura60。聲學(xué)透鏡112也可包括其他材料。圖3和圖4中分別示出了示例性的聲學(xué)透鏡300和400，下文將對其進行詳細說明。

介質(zhì)116可包括圍繞、包含或接觸物體122的任何介質(zhì)，諸如活人對象的完整組織、切開的生物組織、液體介質(zhì)(例如水)、培養(yǎng)皿上的介質(zhì)(例如瓊脂)、顯微鏡載玻片上的液體介質(zhì)等等。介質(zhì)116的另一些例子可包括尿路、腎道、輸尿管、膀胱、尿道、前列腺、唾液腺、膽囊、苦膽、血管或腸道。在一些實施例中，介質(zhì)116可圍繞或接觸聲學(xué)透鏡112的一部分，并聲學(xué)地耦合到聲學(xué)透鏡112。在其它實施例中，介質(zhì)116可直接聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110。

物體122可包括任何適于通過與超聲波114交互而移動和/或限制的物體。物體122的一些例子包括：腎結(jié)石、尿路結(jié)石、輸尿管結(jié)石、膀胱結(jié)石、尿道結(jié)石、前列腺結(jié)石、唾液腺結(jié)石、膽囊結(jié)石、膽結(jié)石、膽管，血塊、血液、粘液、糞便、耵聹、鈣化、鈣化斑塊、動脈粥樣硬化斑塊、尿酸、磷酸銨鎂、草酸鈣、胱氨酸、扁桃體結(jié)石、固態(tài)非生物物質(zhì)、電子元件、生物組織或非生物組織。

通過將超聲波114傳輸?shù)浇橘|(zhì)116中而形成超聲強度阱118。超聲強度阱118代表介質(zhì)中具有第一聲壓范圍的區(qū)域。

周邊區(qū)域120代表圍繞超聲強度阱118且具有超過第一聲壓范圍的第二聲壓范圍的介質(zhì)區(qū)域。壓強的第一和第二范圍的絕對壓強值并不重要。

圖2示出了聲學(xué)換能器210的詳細示意圖，其包括

換能器元件213a、213b、213c、213d、213e、213f、213g、213h、2131、213j、213k、和213l。在一些實施例中，換能器元件213a-l可被排列并成形(例如被彎曲)，從而使其發(fā)射的超聲波被聚焦到距聲學(xué)換能器110的中心軸向距離為75mm處。聲學(xué)換能器110可具有(i)直徑約11mm的中心開口；以及(ii)約75mm的外徑。

如上文結(jié)合圖1所述，每個換能器元件213a-l可被配置為從聲學(xué)換能器110的信號發(fā)生器、從處理器102、或從輸入/輸出界面106接收獨立的輸入信號。每個換能器元件213a-l可被配置為以由各自接收到的輸入信號表示的頻率和相位振動，從而發(fā)射超聲波114。

在另一實施例中(未示出)，聲學(xué)換能器110可僅包括被配置為發(fā)射單相超聲波114的單元件換能器。在一些例子中，單元件換能器可被彎曲從而將超聲波114聚焦到圍繞或接觸物體122的介質(zhì)116的焦平面。在單元件換能器的情況下，聲學(xué)換能器110被聲學(xué)地耦合到圖3和圖4中分別示出的聲學(xué)透鏡300或400會是有利的，因此基于方位角的漸進相移可通過聲學(xué)透鏡300或400被施加到超聲波114。

圖3示出了一個被配置為相移和/或聚焦超聲波(例如，超聲波114)的組份314a和314b的示例性聲學(xué)透鏡300。在各個實施例中，聲學(xué)透鏡300可包括第一部分312a和第二部分312b中的一個或兩個。在聲學(xué)透鏡300的第一個實施例中，僅第一部分312a聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110。在聲學(xué)透鏡300的第二個實施例中，僅第二部分312b聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110。在聲學(xué)透鏡300的第三個實施例中，第一部分312a聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110，第二部分312b聲學(xué)地耦合到第一部分312a。在聲學(xué)透鏡300的第四個實施例中，第二部分312b聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110，第一部分312a聲學(xué)地耦合到第二部分312b。

第一部分312a可具有變化的縱向厚度(例如，平行于組份134a和314b的傳播方向的厚度)。變化的縱向厚度可隨著聲學(xué)透鏡300的方位角的增加而成比例地增加。例如，第一部分312a在第一方位角θ＝θ1可具有第一縱向厚度a*l*θ1+b，在第二方位角θ＝θ2可具有第二縱向厚度a*l*θ2+b。第一部分312a還可包括一邊界，在該邊界處，第一部分312a的變化的縱向厚度從a*l*2π+b非連續(xù)地變化為b。

a和b可為非零正數(shù)，l可為非零整數(shù)。b可對應(yīng)于第一部分312a在θ＝0(即θ＝2π)時的最小的縱向厚度。l的值可對應(yīng)于第一部分312a可施加到穿過第一部分312a的超聲波的各個組份的一系列相移。在一些實施例中，l等于-6,-5,-4,-3,-2,-1,1,2,3,4,5,或6,對應(yīng)于越過整個掃描2π方位角的-12π,-10π,-8π,-6π,-4π,-2π,2π,4π,6π,8π,10π,12π的漸進相移。l的值可確定超聲強度阱118的直徑。即，超聲強度阱118的直徑與a的大小成比例。a可由以下公式定義：

其中λm大于約148.2μm，小于約74.1mm(粗略地對應(yīng)于頻率在約20khz至10mhz之間的穿過水介質(zhì)的聲學(xué)波的波長)。特別地，λm可約等于988μm(粗略地對應(yīng)于頻率約位1.5mhz的穿過水介質(zhì)的聲學(xué)波的波長)。在另一實施例中，λm可約等于4.49mm(粗略地對應(yīng)于頻率約為0.33mhz的穿過水介質(zhì)的聲學(xué)波的波長)，n可為聲學(xué)透鏡300相對于介質(zhì)116的聲學(xué)折射率。例如，如果n＝3，那么聲學(xué)波穿過聲學(xué)透鏡300的速率是穿過介質(zhì)116的速率的三分之一。在另一實施例中，如果n＝0.5，那么聲學(xué)波穿過聲學(xué)透鏡300的速率是穿過介質(zhì)116的速率的二倍。

如圖3所示，第一部分312a的縱向厚度沿聲學(xué)透鏡300的第一部分312a的徑向基本恒定。

第二部分312b可包括彎曲的表面316，其被配置為將聲學(xué)透鏡300在各個方位角接收到的超聲波組份聚焦到介質(zhì)116的焦平面。

下文將進一步描述聲學(xué)透鏡300的額外的功能應(yīng)用。

圖4示出了一個示例性聲學(xué)透鏡400，其被配置為用于相移和聚焦超聲波(例如超聲波114)的組份414a和414b。在各個實施例中，聲學(xué)透鏡400可包括第一部分412a和第二部分312b中的一個或兩個。在聲學(xué)透鏡400的第一個實施例中，僅第一部分412a聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110。在聲學(xué)透鏡400的第二個實施例中，僅第二部分412b聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110。在聲學(xué)透鏡400的第三個實施例中，第一部分412a聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110，第二部分312b聲學(xué)地耦合到第一部分412a。在聲學(xué)透鏡400的第四個實施例中，第二部分412b聲學(xué)地耦合到聲學(xué)換能器110，第一部分412a聲學(xué)地耦合到第二部分412b。

第一部分412a可包括多個區(qū)段413a、413b、413c、413d、413e和413f。多個區(qū)段413a-f中的每一個具有縱向變化的厚度，其隨著區(qū)段的方位角的增加而成比例地增加。例如，區(qū)段413d在第一方位角θ＝θ3可具有第一縱向厚度c*l*θ3+d，在第二方位角θ＝θ4可具有第二縱向厚度c*l*θ4+d。第一部分412a可包括位于區(qū)段413d和區(qū)段413c之間的邊界，在該邊界處，第一部分412a的縱向厚度從c*l*(π/3)+d變化至d(在l＝6時)。對于通常的具有p個區(qū)段的第一部分412a而言，第一部分412a可包括位于相鄰區(qū)段之間的邊界，在該邊界處第一部分412a的縱向厚度從c*l*(2π/p)+d變化至d。

c和d可為非零正數(shù)，l可為p的整數(shù)倍(對于第一部分412a而言，為6的整數(shù)倍)。d可對應(yīng)于區(qū)段413d在θ＝0時的最小的縱向厚度。在一些實施例中，l等于-6、-5、-4、-3、-2、2、3、4、5或6。在圖4所示出的實施例中，p等于6，因此l可等于6的整數(shù)倍，分別對應(yīng)于區(qū)段413d越過整個掃描π/3方位角的(+/-)2π、(+/-)4π、(+/-)6π等的漸進相移范圍。在通常的p個區(qū)段的情況下，被給定區(qū)段施加到超聲波的整個范圍的相移可等于2πl(wèi)/p。在一些實施例中，l可等于第一部分412a的區(qū)段的個數(shù)(例如l＝p＝6)。l的值可確定超聲強度阱118的直徑。即，超聲強度阱118的直徑與l的大小成比例。

此外，c可由以下公式定義：

其中λm大于約148.2μm，小于約74.1mm(粗略地對應(yīng)于頻率在約20khz至10mhz之間的穿過水介質(zhì)的聲學(xué)波的波長)。特別地，λm可約等于988μm(粗略地對應(yīng)于頻率約位1.5mhz的穿過水介質(zhì)的聲學(xué)波的波長)。在另一實施例中，λm可約等于4.49mm(粗略地對應(yīng)于頻率約為0.33mhz的穿過水介質(zhì)的聲學(xué)波的波長)，n可為聲學(xué)透鏡400相對于介質(zhì)116的聲學(xué)折射率。例如，如果n＝3，那么聲學(xué)波穿過聲學(xué)透鏡400的速率是穿過介質(zhì)116的速率的三分之一。在另一實施例中，如果n＝0.5，那么聲學(xué)波穿過聲學(xué)透鏡400的速率是穿過介質(zhì)116的速率的二倍。

如圖4所示，第一部分412a的縱向厚度沿第一部分412a的徑向基本恒定。

第二部分412b可包括彎曲的表面416，其被配置為將聲學(xué)透鏡400在各個方位角接收到的超聲波組份聚焦到介質(zhì)116的焦平面。

下文將進一步描述聲學(xué)透鏡400的額外的功能應(yīng)用。

圖5的示出了一個利用超聲波限制或移動物體的示例性方法的流程圖。圖5所示的方法500示出了一個可在操作環(huán)境中實施的示例性方法，該操作環(huán)境包括例如聲學(xué)換能器裝置100、聲學(xué)換能器110、聲學(xué)透鏡112、介質(zhì)116、物體122、聲學(xué)透鏡300以及聲學(xué)透鏡400。方法500可包括方框502和504中的一個或多個所示出的一種或多種操作、功能或動作。盡管方框被依次示出，但這些方框也可平行地執(zhí)行，和/或以不同于此處的順序而執(zhí)行。此外，各個方框可根據(jù)所需實現(xiàn)方法被合并成若干方框、拆分成額外的方框和/或移除。

另外，對于方法500以及此處公開的其它步驟和過程，該流程圖示出了本實施例的一個可能的實現(xiàn)方法的功能和操作。就這點而言，每個方框可代表程序代碼的一個模塊、一個區(qū)段或一部分，其包括一個或多個指令，這些指令可由處理器執(zhí)行以實現(xiàn)過程的特定的邏輯功能或步驟。程序代碼可被存儲在任何計算機可讀介質(zhì)中，例如，諸如包括磁盤或硬盤驅(qū)動器的存儲裝置。在一些實施例中，程序代碼可被存儲在關(guān)聯(lián)和/或連接到服務(wù)器系統(tǒng)的存儲器(例如，磁盤或磁盤陣列)，該服務(wù)器系統(tǒng)使程序代碼可被下載到臺式/筆記本電腦、智能手機、平板電腦或其它類型的計算裝置。計算機可讀介質(zhì)可包括非瞬時性計算機可讀存儲介質(zhì)，例如，諸如類似寄存器一樣短時間存儲數(shù)據(jù)的計算機可讀存儲介質(zhì)、處理器緩存以及隨機存取存儲器(ram)。計算機可讀介質(zhì)還可包括非瞬時性介質(zhì)，諸如二級或長期持續(xù)存儲器，例如，像只讀存儲器(rom)、光盤或磁盤、光驅(qū)(cd-rom)。計算機可讀介質(zhì)還可為任何其他易失性或非易失性存儲系統(tǒng)。計算機可讀介質(zhì)可被認為是例如計算機存儲介質(zhì)，或有形的存儲裝置。此外，對于方法500和此處公開的其他過程和方法，圖5中的每個方框可表示有引線的、能執(zhí)行過程中的特定邏輯功能的電路。

在方框502中，方法500包括將聚焦超聲波發(fā)射到介質(zhì)中以形成(i)位于介質(zhì)中的、具有第一聲壓強范圍的超聲強度阱；以及(ii)介質(zhì)的周邊區(qū)域，其圍繞所述超聲強度阱且具有一超過第一聲壓強范圍的第二聲壓強范圍。

如圖1所示，聲學(xué)換能器110可將超聲波114發(fā)射到介質(zhì)116以在介質(zhì)116中形成超聲強度阱118。為了發(fā)射超聲波114，聲學(xué)換能器110可接收范圍在90-100v、時間平均功率為2.25w的輸入電壓，但其它實施例也是可以的。超聲強度阱118可具有第一聲壓范圍(下文將詳細描述)。超聲波114還可在具有超過第一聲壓范圍(下文將詳細描述)的第二聲壓范圍的介質(zhì)116中形成周邊區(qū)域120。

圖6示出了聲學(xué)換能器110發(fā)射的超聲波114的一個實施例。超聲波114的振蕩頻率fosc可為20khz至10mhz(例如1.5mhz或0.33mhz)。超聲波114可具有約100hz的脈沖重復(fù)頻率f2和約33.3μs的脈沖持續(xù)時間t1。其它實施例也是可以的。

發(fā)射超聲波可包括具有m個換能器元件的陣列中的每一個換能器元件發(fā)射超聲波中的相應(yīng)組份，該組份相對于相鄰換能器元件發(fā)射的超聲波組份相移2πl(wèi)/m弧度。l可以為任何非零整數(shù)(例如-6、-5、-4、-3、-2、-1、1、2、3、4、5或6)，m可以大于或等于3(例如m＝12)。其它實施例是可以的。

例如，換能器元件213a-l中的每一個可發(fā)射分別具有根據(jù)下表的相移的超聲波114組份。

發(fā)射具有這種相移度數(shù)變化的超聲波114可形成超聲強度阱118以及周邊區(qū)域120。

在另一實施例中，聲學(xué)換能器110可發(fā)射超聲波114的第一組份314a和第二組份314b。在該實施例中，(聲學(xué)換能器110發(fā)射的)第一組份314a和第二組份314b可相對于彼此沒有相移。聲學(xué)換能器110可通過第一部分312a以第一方位角θ＝θ1發(fā)射第一組份314a。第一部分312a可向該第一組份314a施加第一相移l*θ1。l可以為任何非零整數(shù)(例如-6、-5、-4、-3、-2、-1、1、2、2、3、4、5或6)。聲學(xué)換能器110還可通過第一部分312a以第二方位角θ＝θ2發(fā)射第二組份314b。第一部分312a可向該第二組份314b施加第二相移l*θ2。

在第一方位角θ＝θ1處，第一部分312a可具有第一縱向厚度a*l*θ1+b，在第二方位角θ＝θ2處，第一部分312a可具有第二縱向厚度a*l*θ2+b。a可由以下公式定義:

其中λm為傳播穿過介質(zhì)116的超聲波114的波長，λp為傳播穿過聲學(xué)透鏡300的超聲波114的波長。第一組份314a穿過第一部分312a之后，第一組份314a可穿過第二部分312b。第二部分312b的彎曲的表面316可將第一組份314a聚焦到介質(zhì)116的焦平面。

第二組份314b穿過第一部分312a之后，第二組份314b可穿過第二部分312b。第二部分312b的彎曲的表面316可將第二組份314b聚焦到介質(zhì)116的焦平面。

在另一實施例中，聲學(xué)透鏡300可被配置為使得超聲波114的組份314a和314b可先穿過第二部分從而被聚焦，然后穿過第一部分312a從而被施加對應(yīng)的相移。

圖7a-f示出了介質(zhì)的焦平面716內(nèi)對應(yīng)于各種l值所測得的壓強幅值。圖7a示出了被周邊區(qū)域720a圍繞的超聲強度阱718a，由對應(yīng)于l＝1的超聲波形成。如圖所示，超聲強度阱718a的直徑為十分之幾毫米的量級，周邊區(qū)域720a的直徑約為2.25mm。超聲強度阱718a具有約為0-0.3mpa的第一聲壓范圍，周邊區(qū)域720a具有約為0.3-0.7mpa的第二聲壓范圍。

圖7b示出了被介質(zhì)716的周邊區(qū)域720b圍繞的超聲強度阱718b，由對應(yīng)于l＝3的超聲波形成。如圖所示，超聲強度阱718b的直徑約為2mm，周邊區(qū)域720b的直徑約為4.5mm。超聲強度阱718b具有約為0-0.3mpa的第一聲壓范圍，周邊區(qū)域720b具有約為0.3-0.4mpa的第二聲壓范圍。

圖7c示出了被介質(zhì)716的周邊區(qū)域720c圍繞的超聲強度阱718c，由對應(yīng)于l＝4的超聲波形成。如圖所示，超聲強度阱718c的直徑約為2.25mm，周邊區(qū)域720c的直徑約為5.5mm。超聲強度阱718c具有約為0-0.15mpa的第一聲壓范圍，周邊區(qū)域720a具有約為0.15-0.35mpa的第二聲壓范圍。

圖7d示出了被介質(zhì)716的周邊區(qū)域720d圍繞的超聲強度阱718d，由對應(yīng)于l＝5的超聲波形成。如圖所示，超聲強度阱718c的直徑約為2.25mm，周邊區(qū)域720c的直徑約為5.5mm。超聲強度阱718d具有約為0-0.2mpa的第一聲壓范圍，周邊區(qū)域720d具有約為0.2-0.4mpa的第二聲壓范圍。

圖7e示出了被介質(zhì)716的周邊區(qū)域720e圍繞的超聲強度阱718e，由對應(yīng)于l＝6的超聲波形成。如圖所示，超聲強度阱718e的直徑約為3.5mm，周邊區(qū)域720e的直徑約為8.5mm。超聲強度阱718e具有約為0-0.2mpa的第一聲壓范圍，周邊區(qū)域720e具有約為0.2-0.4mpa的第二聲壓范圍。

在其它實施例中，將超聲波發(fā)射到介質(zhì)中可包括將超聲波的第一組份發(fā)射穿過包括p個區(qū)段的聲學(xué)透鏡，其中p大于等于2。第一組份可被以第一方位角θ＝θ3發(fā)射穿過聲學(xué)透鏡，聲學(xué)透鏡可向該第一組份施加第一相移l*θ3。l可以為p的整數(shù)倍(或可能等于p)。將超聲波發(fā)射到介質(zhì)中還可包括將超聲波的第二組份以第二方位角θ＝θ4發(fā)射穿過聲學(xué)透鏡。該聲學(xué)透鏡可向該第二組份施加第二相移l*θ4。

例如參見圖4，聲學(xué)換能器110可將超聲波114的第一組份以第一方位角θ＝θ3發(fā)射穿過第一部分412a的第一區(qū)段413d。第一部分412a可向第一組份414a施加第一相移l*θ3。l可以為p的整數(shù)倍，或者在一些情況下，l可以等于p。l可取值為諸如-6、-5、-4、-3、-2、-1、1、2、3、4、5或6。在圖4-圖6中所示的實施例中，p＝6(對應(yīng)于區(qū)段413a-f)。聲學(xué)換能器110也可以第二方位角θ＝θ4發(fā)射穿過第一部分412a的區(qū)段413d的超聲波的第二組份414b。第一部分412a可向該第二組份414b施加第二相移l*θ4。

第一組份414a穿過第一部分412a之后，第一組份414a可穿過第二部分412b。第二部分412b的彎曲的表面416可將第一組份414a聚焦到介質(zhì)116的焦平面。

第二組份414b穿過第一部分412a之后，第二組份414b可穿過第二部分412b。第二部分412b的彎曲的表面416可將第二組份414b聚焦到介質(zhì)116的焦平面。

在另一實施例中，聲學(xué)透鏡400可被配置為使得超聲波114的組份414a和414b可先穿過第二部分從而被聚焦，然后穿過第一部分412a從而被施加對應(yīng)的相移。

在第一方位角θ＝θ3處，第一部分412a可具有第一縱向厚度c*l*θ3+d,其中c和d為非零正數(shù)。在第二方位角θ＝θ4處，第一部分412a可具有第二縱向厚度c*l*θ4+d。c可由以下公式定義：

其中λm為傳播穿過介質(zhì)116的超聲波114的波長，λp為傳播穿過聲學(xué)透鏡400的超聲波114的波長。無論是使用聲學(xué)換能器210聚焦超聲波114還是使用聲學(xué)透鏡300或400聚焦，超聲波114都可被聚焦到介質(zhì)116的焦平面上。這會使得超聲強度阱118形成在焦平面內(nèi)，且周邊區(qū)域120在焦平面內(nèi)為環(huán)形。超聲波114可被聚焦到超聲強度阱118內(nèi)的焦點(例如，中心點)上。焦點在可具有焦平面內(nèi)的聲壓局部最小值。

圖8示出了一個示例性聲學(xué)透鏡400對介質(zhì)116的焦平面內(nèi)所測壓強幅值的影響。圖8示出了被介質(zhì)816的周邊區(qū)域820圍繞的由超聲波形成的超聲強度阱818。如圖所示，超聲強度阱818的直徑約為7mm，周邊區(qū)域820的直徑約為13mm。超聲強度阱818具有約為0-0.035mpa的第一聲壓范圍，周邊區(qū)域820具有約為0.035-0.06mpa的第二聲壓范圍。

方框504中，方法500包括將物體限制在超聲強度阱中。如圖9a所示，通過聲學(xué)換能器發(fā)射的超聲波，在介質(zhì)116內(nèi)形成超聲強度阱118和周邊區(qū)域120。在圖9a的實施例中，超聲強度阱118和周邊區(qū)域120被形成為遠離介質(zhì)116中的物體122的位置。

在圖9b中，超聲強度阱118和周邊區(qū)域120被電操控或機械操控，從而使超聲強度阱118圍繞物體122。在另一實施例中，圖9b示出了在操控超聲強度阱118和周邊區(qū)域120朝向物體122之后，超聲強度阱118和周邊區(qū)域120形成在物體122的周圍，而非超聲強度阱118和周邊區(qū)域120被形成為遠離物體122。

與圖9b相比，圖9c中超聲強度阱118和周邊區(qū)域120被向下操控，從而也向下移動物體122。圖9b和圖9c中描繪的向下的方向可垂直于超聲波114的傳播方向。即，超聲波114的操控可使得物體122的移動方向基本平行于介質(zhì)116的焦平面(即，移動方向垂直于超聲波114的傳播方向)。

與圖9c相比，圖9d中超聲強度阱118和周邊區(qū)域120被向左操控，從而也向左移動物體122。圖8c和圖8d中描繪的向左的方向可垂直于超聲波114的傳播方向。

如上文所述，超聲波114可被聚焦到介質(zhì)116的焦平面。物體122可被從介質(zhì)116的周邊區(qū)域指向超聲超聲強度阱118的聲壓梯度限制或移動。

在通過包括一個或多個換能器元件的聲學(xué)換能器(例如，圖2中的聲學(xué)換能器210)發(fā)射超聲波114實施例中，操控超聲波114從而使物體122位于超聲強度阱118內(nèi)可包括調(diào)整分別提供給一個或多個換能器元件的輸入信號，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣。這可包括超聲波114被操控為以平行于介質(zhì)116的焦平面的方向移動物體122的情形。

在其它實施例中，操控超聲波114從而使物體122位于超聲強度阱118內(nèi)可包括機械地調(diào)整聲學(xué)換能器110，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣。這可包括超聲波114被操控為以平行于介質(zhì)116的焦平面的方向移動物體122的情形。

圖10示出了通過超聲波114提供的機械力矩123旋轉(zhuǎn)物體122。機械力矩123可為超聲波114形成的周邊區(qū)域120具有的旋轉(zhuǎn)的壓強梯度的產(chǎn)物。例如，由聲學(xué)換能器210、聲學(xué)透鏡300或400形成的超聲波114施加的漸進相移可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的壓強梯度并向122施加機械扭矩123。物體122可圍繞超聲強度阱118振動和/或移動，并偶爾接觸周邊區(qū)域120的內(nèi)邊緣，通過圖10所示的機械扭矩123使物體122轉(zhuǎn)動。盡管圖10中物體以順時針方向轉(zhuǎn)動，但相對于介質(zhì)116的焦平面以逆時針方向轉(zhuǎn)動也是可能的。

此處公開了各個示例性的方面和示例性的實施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，其它方面和實施例是清楚的。此處公開的各個示例性的方面和示例性的實施例使為了說明的目的，而并非旨在被限制于此，真正的范圍和精神由權(quán)利要求書限定。