可控超声涡旋及其在粒子操控中的应用研究

Combining the advantages of the penetrability of ultrasound and the spiral convergency of vortex, object rotation and particle accumulation can be realized by acoustical vortices through angular momentum transfer, which have broad application potential in medical imaging and ultrasound therapy. This project plans to conduct theoretical and experimental studies on the physical mechanism of controllable ultrasonic vortices and the application in particle manipulation. Based on the radiation of planar piston source, plane (focused) circular transducer array will be designed with L-type ultrasonic horn, and the impact of focal length, source coding and medium acoustic property on pressure distributions of ultrasonic vortices will be investigated. A particle manipulation method based on acoustic radiation force of ultrasonic vortices will be established. Meanwhile, based on the distributions of pressure and phase, and considering the nonlinearity and viscosity of media, physical meanings of topological charge and linear phase distribution as well as the angular momentum transfer will be studied to generate ultrasonic vortices with controllable position, shape, pressure, phase and topological charge. Based on the theories of acoustic radiation force and micro-jet, force analysis for micro sphere in fluid will be discussed to obtain the characteristics of the spiral motion of particles. The parameters of particulates and ultrasound will be optimized to achieve controllable acoustic distribution and angular momentum transfer of ultrasonic vortices for particle motion and accumulation. In conclusion, a novel non-destructive technology of precise particle localization and manipulation will be established for targeted ultrasound therapy.

超声涡旋结合了超声穿透性和涡旋螺旋汇聚性的优点，通过角动量传输实现物体的旋转和微粒子的积聚，在医学成像和超声治疗等领域有着广阔的应用前景。本项目拟从理论和实验两方面研究超声涡旋形成的物理机制，建立基于超声涡旋的粒子操控方法。基于平面活塞声源辐射模型，利用L型变幅杆设计平面（聚焦）环形换能器阵列，研究超声涡旋形成的物理原理，探索声源焦距、信号编码和媒质特性等对涡旋声场的影响；基于声压和相位分布，结合媒质粘滞性和超声非线性，研究超声涡旋拓扑电荷和线性相位的物理意义及其对角动量传输的影响，优化声源设计，建立位置、形状、声压、相位和拓扑电荷可控的超声涡旋；基于超声辐射力和微射流理论，建立流体中球形微粒的受力模型，分析粒子的螺旋运动规律，探索粒子特性和超声参数的关系，优化超声涡旋的特性控制和角动量传输，实现粒子的移动和富集。本项目的研究为超声靶向治疗提供了一种无损粒子定位和精确操控新技术。

在国家自然科学基金的资助下，我们按计划进行可控超声涡旋及其在粒子操控中的应用研究，开展的工作包括：(1) 基于圆形和扇形平面活塞换能器的指向性，研究了环形阵列相控超声形成的物理机制，构建了轴向多势阱超声涡旋，提高了近场捕获能力；(2) 利用声传播波矢研究了涡旋声场中的轨道角动量和声辐射力，探索了涡旋声场对不同物体的操控机理；并基于声散射理论，研究了液体中不同拓扑荷超声涡旋的轴向声辐射拉力和推力的形成条件和物体的运动规律，建立基于超声涡旋的物体操控技术；(3) 建立了弱聚焦超声涡旋和离轴多涡旋模型，实现了可控有限范围内的大物体操控和多点粒子捕获，为超声涡旋在靶向给药和超声治疗中的应用提新技术；(4) 开展了聚焦声场声功率的非接触测量研究，提出了基于焦点轴向振速的线性和非线性声功率精确反演方法；(5) 基于磁声电的相互作用开展了磁声电检测及其应用研究，推导了一维电阻抗分布的重建算法，并利用Barker码激励来提高信噪比，实现了基于磁声电的HIFU治疗疗效监测；(6) 研究了磁声层析成像中换能器指向性的影响，提出了基于磁声边界法向声压的电导率重建算法，实现了组织内部电导率分布的重建；进一步研究了组织电阻抗缓变和各向异性对磁声声源中内部和边界声源，以及直流和交流分量的影响，提出了基于组织电阻抗相对变化的HIFU治疗的疗效评估和剂量控制技术。.在本项目的支持下，在APL，JAP， IEEE T BME 等期刊共发表SCI论文24篇，申请发明专利2项，授权专利1项。培养2名博士及18名硕士研究生，其中9名已毕业获硕士学位。邀请来自美国、日本和国内知名高校的专家学者来访问讲学12人次，课题组成员积极参加国际学术会议9人次，国内学术会议27人次，研究生参加暑期学校13人次。