用于HIFU場測量的光纖Fabry-Perot水聽器

中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 劉 雷

1.引言

高強(qiáng)度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound, HIFU)作為21世紀(jì)新興的無創(chuàng)外科技術(shù)，在腫瘤治療等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，成為醫(yī)學(xué)超聲工程界研究的熱點(diǎn)。將超聲能量匯聚到靶向腫瘤的一個(gè)較小區(qū)域，HIFU (ISPTA ＞ 1000 W/cm2)使聚焦區(qū)域產(chǎn)生高溫(＞65 °C)從而達(dá)到消融組織的目的。為了能進(jìn)行安全、有效的HIFU治療，避免損壞靶向腫瘤外圍的正常組織，就必須準(zhǔn)確的確定HIFU場的聲能量分布和聲焦域大小。

圖1 光纖Fabry-Perot水聽器

2.光纖Fabry-Perot水聽器

光纖Fabry-Perot水聽器結(jié)構(gòu)如圖1所示，光纖Fabry-Perot水聽器是將一段外徑為125 μm的石英毛細(xì)管內(nèi)嵌于單模光纖中形成的低精細(xì)度的微型Fabry-Peort干涉儀，輸入/輸出光纖和反射光纖分別與石英毛細(xì)管連接處的界面作為Fabry-Perot干涉儀的兩個(gè)反射面，石英毛細(xì)管的空氣腔作為Fabry-Perot干涉腔。根據(jù)Fabry-Perot干涉儀原理，當(dāng)兩個(gè)反射面的反射率相等時(shí)，入射光強(qiáng)為Ii，則反射光強(qiáng)Ir可表示為：

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用了石英毛細(xì)管內(nèi)徑為35 μm、長度為378.079 μm光纖Fabry-Perot水聽器。信號源輸出頻率為0.965 MHz連續(xù)正弦信號激勵(lì)HIFU換能器產(chǎn)生HIFU場，換能器驅(qū)動功率為72 W時(shí)，使用光纖Fabry-Perot水聽器系統(tǒng)測量HIFU場焦點(diǎn)處的聲壓。內(nèi)徑為35 μm的光纖Fabry-Perot水聽器測得的時(shí)域曲線和頻域曲線分別如圖2(a)和2(b)所示。為便于比較，在圖2中分別繪制了針式壓電水聽器測量HIFU場焦點(diǎn)處的時(shí)域曲線和頻域曲線。

圖2 驅(qū)動功率為72W，內(nèi)徑為35μm的光纖Fabry-Perot水聽器與針式壓電水聽器測量HIFU聲場：(a)時(shí)域圖，(b)頻域圖

根據(jù)圖2可以看出內(nèi)徑為35 μm的光纖Fabry-Perot水聽器與針式壓電水聽器所測HIFU場焦點(diǎn)處時(shí)域曲線和頻域曲線有很好的吻合度。圖2(a)，內(nèi)徑為35μm光纖Fabry-Peot水聽器測量HIFU場的聲壓值為4.95MPa，輸出電壓為76.8mV，其測量聲壓結(jié)果誤差為2.3%。如圖2(b)內(nèi)徑為35μm光纖Fabry-Perot水聽器測量的頻域曲線與針式壓電水聽器測量的頻域曲線一次諧波有很好的重合性，其測量的高次諧波是由于超聲波在水中非線性傳播引起的。

4. 結(jié)論

驗(yàn)證本文所提出的光纖Fabry-Perot水聽器可用于HIFU聲場的測試，光纖Fabry-Perot水聽器能夠準(zhǔn)確測量HIFU聲場的分布對于精確預(yù)測治療劑量和HIFU生物學(xué)效應(yīng)、確保治療的有效性和安全性以及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有非常重要的意義。