《可控超聲渦旋及其在粒子操控中的套用研究》是依託南京師範大學，由馬青玉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：可控超聲渦旋及其在粒子操控中的套用研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馬青玉
- 依託單位：南京師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超聲渦旋結合了超聲穿透性和渦旋螺旋匯聚性的優點，通過角動量傳輸實現物體的旋轉和微粒子的積聚，在醫學成像和超聲治療等領域有著廣闊的套用前景。本項目擬從理論和實驗兩方面研究超聲渦旋形成的物理機制，建立基於超聲渦旋的粒子操控方法。基於平面活塞聲源輻射模型，利用L型變幅桿設計平面（聚焦）環形換能器陣列，研究超聲渦旋形成的物理原理，探索聲源焦距、信號編碼和媒質特性等對渦旋聲場的影響；基於聲壓和相位分布，結合媒質粘滯性和超聲非線性，研究超聲渦旋拓撲電荷和線性相位的物理意義及其對角動量傳輸的影響，最佳化聲源設計，建立位置、形狀、聲壓、相位和拓撲電荷可控的超聲渦旋；基於超聲輻射力和微射流理論，建立流體中球形微粒的受力模型，分析粒子的螺旋運動規律，探索粒子特性和超聲參數的關係，最佳化超聲渦旋的特性控制和角動量傳輸，實現粒子的移動和富集。本項目的研究為超聲靶向治療提供了一種無損粒子定位和精確操控新技術。
結題摘要
在國家自然科學基金的資助下，我們按計畫進行可控超聲渦旋及其在粒子操控中的套用研究，開展的工作包括：(1) 基於圓形和扇形平面活塞換能器的指向性，研究了環形陣列相控超聲形成的物理機制，構建了軸向多勢阱超聲渦旋，提高了近場捕獲能力；(2) 利用聲傳播波矢研究了渦旋聲場中的軌道角動量和聲輻射力，探索了渦旋聲場對不同物體的操控機理；並基於聲散射理論，研究了液體中不同拓撲荷超聲渦旋的軸向聲輻射拉力和推力的形成條件和物體的運動規律，建立基於超聲渦旋的物體操控技術；(3) 建立了弱聚焦超聲渦旋和離軸多渦旋模型，實現了可控有限範圍內的大物體操控和多點粒子捕獲，為超聲渦旋在靶向給藥和超聲治療中的套用提新技術；(4) 開展了聚焦聲場聲功率的非接觸測量研究，提出了基於焦點軸向振速的線性和非線性聲功率精確反演方法；(5) 基於磁聲電的相互作用開展了磁聲電檢測及其套用研究，推導了一維電阻抗分布的重建算法，並利用Barker碼激勵來提高信噪比，實現了基於磁聲電的HIFU治療療效監測；(6) 研究了磁聲層析成像中換能器指向性的影響，提出了基於磁聲邊界法向聲壓的電導率重建算法，實現了組織內部電導率分布的重建；進一步研究了組織電阻抗緩變和各向異性對磁聲聲源中內部和邊界聲源，以及直流和交流分量的影響，提出了基於組織電阻抗相對變化的HIFU治療的療效評估和劑量控制技術。 在本項目的支持下，在APL，JAP， IEEE T BME 等期刊共發表SCI論文24篇，申請發明專利2項，授權專利1項。培養2名博士及18名碩士研究生，其中9名已畢業獲碩士學位。邀請來自美國、日本和國內知名高校的專家學者來訪問講學12人次，課題組成員積極參加國際學術會議9人次，國內學術會議27人次，研究生參加暑期學校13人次。
