自聚焦超声的声场调控及精细焦域研究

聚焦超声目前被广泛应用于靶向药物传输、基因转染、无创治疗等热点研究领域，但其焦域大小受到衍射极限的限制，即处于波长量级。本项目拟采用理论与实验相结合的方法，进行自聚焦超声的声场调控及精细焦域研究。首先对非线性声传播方程进行修正，描述媒质的不同衰减和色散规律对焦域形状与位置的影响。在此基础上，将自聚焦超声换能器与声子晶体构成的负折射率超透镜相结合，探讨突破衍射极限和形成精细焦域的机制，并研究利用声子晶体的带隙特性对色散引起的焦域畸变进行矫正，最终实现具有较高声强与信噪比的亚波长焦域。本研究将负折射率超常材料与实际应用相结合，探索提高聚焦超声分辨率、控制焦点形状/位置的新机制新方法，为聚焦超声在更多领域（特别是医学超声领域）的应用奠定基础，同时为聚焦超声设备的设计制作提供新的思路。

聚焦超声在许多方面特别是临床诊断及治疗中得到了广泛的应用，本项目旨在解决自聚焦超声在实际临床应用中所遇到的两个问题：焦域畸变及焦域尺寸较大。一方面，自聚焦超声的焦域畸变在临床超声治疗中早已观察到，但是其机理一直没有很好的解释，这也就成为超声治疗的误差来源之一。在本项目研究中，我们采用分数导数对传统描述球面聚焦声场的KZK方程进行修正，明确了生物组织中声速及衰减的色散效应是造成焦域畸变的根本来源；当计及色散效应时，声焦域出现明显的变性并且向声源方向移动；利用本项目发展的理论进行声场计算和预测，将有助于进一步提升超声治疗的精确性。另一方面，球面自聚焦超声的焦域一般为椭球形，其轴向长度远大于径向宽度，不利于进行“适形”的超声消融；本项目利用两种手段来解决该问题。在第一种方法中我们设计了一种平板式声透镜，其中包含了多个亚波长孔径，能够实现多重Fabre-Perot共振效应并且放大倏逝波；当平面超声波入射时，可以在该结构的出口处形成近场亚波长焦域。在第二种方法中我们研究了一种球形腔聚焦超声换能器，该结构利用驻波场而非行波场来实现声能量的聚集；由于该结构的对称性，声焦域的径向与轴向宽度只比接近1：1；同时，由于声场的叠加效应，声焦域的径向与轴向尺寸均为亚波长量级，约为半波长左右。此外，本项目还额外研究了活体组织中超声热剂量的控制、冲击波形成情况下骨组织中的声能量沉积以及HIFU治疗过程中利用B超成像技术对超声空化进行定量计量等。