含微气泡水介质中泡群共振状态下的聚焦声场特性研究

The stable cavitation and nonlinear vibration of microbubbles stimulated by focused ultrasound can be used to improve efficiency of ultrasonic treatment, and expected to treat some of the major diseases, which has draws a worldwide attention in the medical field recently.Through the research about the interaction of focused ultrasound and microbubbles, attenuation coefficient and nonlinear parameter of ultrasonic propagation in liquid medium containing microbubbles will be corrected for focused acoustic waves, and the related propagation model can be established. Based on the distribution of acoustic intensity in focus region, the inception of cavitation cloud will be investigated, and through the analysis of the interaction of acoustic waves and microbubble,the models of propagation and distribution of acoustic pressures can be determined on the resonant frequency of the cavitation bubble cloud, the relationship between the resonance frequency, interior sound pressure distribution and the transmitting sound level can be acquired. As a result, it is possible to adjust the intensity and frequency of source, void fraction and size of microbubbles, the cavitation bubble cloud can be produced and controlled, therefore, this research has important significance for promoting the development of ultrasound treatment technology.

利用聚焦声波激励微气泡时所产生的非线性振动和稳态空化，可以提高超声治疗效率、实现对一些重大疾病的治疗，是目前国内外医学界所关注的热点之一。本项目通过研究聚焦超声和微气泡的相互作用，完成对液体介质中超声波传播衰减系数和非线性等参量的修正，建立聚焦声波在含微气泡水介质中的传播模型。在此基础上，将研究焦域中的声压分布和温度变化，模拟空化泡群的形成过程，建立空化泡群共振时声波在泡群中的传播模型，并结合实验验证确定泡群共振频率、泡群内部声压分布与外部激励声压之间的关系。上述研究工作的开展，将有助于通过正确设定聚焦声源强度和频率、微气泡浓度和尺寸等参数，减小超声波的传播衰减和畸变，在焦域中形成稳态空化泡群，并能通过控制泡群的共振，在焦域中产生高强度声场。因此，本项目的研究成果对促进超声治疗技术的发展具有重要意义。

含气微泡作为超声造影剂已在医学诊断中得到广泛使用，利用微气泡提高超声治疗效率也成为国内外医学界所关注的热点之一。本项目旨在对含微气泡水介质中聚焦超声传播规律、以及泡群内部的声场特性进行专题研究，为超声治疗技术的应用提供理论依据。.项目开展了圆形活塞式聚焦换能器的近场声压分布仿真，以及基于近场测量结果的聚焦声场重构研究，并确定了实施近场测量的位置、区域大小、测量点间隔和换能器孔径、工作频率等参量之间的关系；并通过对不同聚焦换能器声场进行测量，以及将测量数据和计算结果进行比对和分析，验证了理论模型的正确性。.本项目根据微气泡的动力学特性，将气泡含量随时间变化引入到理论计算中，从微观角度计算了微泡粒径变化引起的声衰减规律，建立了含微泡水介质吸收系数随时间变化模型，并对聚焦声场的非线性传播方程进行了修正。通过构建的超声波传播衰减特性实验系统，验证了不同时刻、不同频率下微泡混合液的吸收系数，并验证了超声波强度、焦域大小、调制频率、微泡浓度与激发共振幅度之间的关系。.在研究过程中，项目组开展了多种功率超声换能器、高强度聚焦超声换能器的设计和研制工作；利用压电高分子材料、PMN-PT单晶材料完成了高灵敏度探针水听器的制作和性能验证试验；设计并完成了专用C扫描运动平台的研制工作。通过近场声压分布的仿真工作，以及对不同类型换能器声场进行实际测量，完成了对含微气泡水介质超声波传播规律的修正，获得了焦点附近基波声压及高次谐波分量分布规律。含微泡水介质吸收系数随时间变化模型的建立，为诊断超声使用超声造影剂、以及利用微气泡提高超声治疗效率、以及检测超声造影剂的声学特性提供了依据。