《自聚焦超聲的聲場調控及精細焦域研究》是依託南京大學，由郭霞生擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：自聚焦超聲的聲場調控及精細焦域研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：郭霞生
- 依託單位：南京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
聚焦超聲目前被廣泛套用於靶向藥物傳輸、基因轉染、無創治療等熱點研究領域，但其焦域大小受到衍射極限的限制，即處於波長量級。本項目擬採用理論與實驗相結合的方法，進行自聚焦超聲的聲場調控及精細焦域研究。首先對非線性聲傳播方程進行修正，描述媒質的不同衰減和色散規律對焦域形狀與位置的影響。在此基礎上，將自聚焦超聲換能器與聲子晶體構成的負折射率超透鏡相結合，探討突破衍射極限和形成精細焦域的機制，並研究利用聲子晶體的帶隙特性對色散引起的焦域畸變進行矯正，最終實現具有較高聲強與信噪比的亞波長焦域。本研究將負折射率超常材料與實際套用相結合，探索提高聚焦超聲解析度、控制焦點形狀/位置的新機制新方法，為聚焦超聲在更多領域（特別是醫學超聲領域）的套用奠定基礎，同時為聚焦超聲設備的設計製作提供新的思路。
結題摘要
聚焦超聲在許多方面特別是臨床診斷及治療中得到了廣泛的套用，本項目旨在解決自聚焦超聲在實際臨床套用中所遇到的兩個問題：焦域畸變及焦域尺寸較大。一方面，自聚焦超聲的焦域畸變在臨床超聲治療中早已觀察到，但是其機理一直沒有很好的解釋，這也就成為超聲治療的誤差來源之一。在本項目研究中，我們採用分數導數對傳統描述球面聚焦聲場的KZK方程進行修正，明確了生物組織中聲速及衰減的色散效應是造成焦域畸變的根本來源；當計及色散效應時，聲焦域出現明顯的變性並且向聲源方向移動；利用本項目發展的理論進行聲場計算和預測，將有助於進一步提升超聲治療的精確性。另一方面，球面自聚焦超聲的焦域一般為橢球形，其軸向長度遠大於徑向寬度，不利於進行“適形”的超聲消融；本項目利用兩種手段來解決該問題。在第一種方法中我們設計了一種平板式聲透鏡，其中包含了多個亞波長孔徑，能夠實現多重Fabre-Perot共振效應並且放大倏逝波；當平面超音波入射時，可以在該結構的出口處形成近場亞波長焦域。在第二種方法中我們研究了一種球形腔聚焦超聲換能器，該結構利用駐波場而非行波場來實現聲能量的聚集；由於該結構的對稱性，聲焦域的徑向與軸向寬度只比接近1：1；同時，由於聲場的疊加效應，聲焦域的徑向與軸向尺寸均為亞波長量級，約為半波長左右。此外，本項目還額外研究了活體組織中超聲熱劑量的控制、衝擊波形成情況下骨組織中的聲能量沉積以及HIFU治療過程中利用B超成像技術對超聲空化進行定量計量等。
