基于聲異常透射效應(yīng)的高強(qiáng)度聚焦超聲換能器

章 東 李成海 林 洲

(南京大學(xué)聲學(xué)研究所，南京，210093)

引 言

高強(qiáng)度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound，HIFU)作為一種新型無創(chuàng)的外科技術(shù)得到人們廣泛關(guān)注，并已在臨床上應(yīng)用于各種良惡性實(shí)體腫瘤的治療[1]。在HIFU治療過程中，超聲換能器以一定的聚焦方式將體外低能量的超聲聚焦到體內(nèi)形成一個(gè)高能量的靶點(diǎn)，使組織溫度迅速上升，超過56 ℃，致使蛋白質(zhì)變性，靶區(qū)組織發(fā)生不可逆凝固性壞死，但卻不會(huì)損傷焦域外的正常組織[2]。隨著HIFU技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)聚焦換能器的性能提出了更高的要求。聲透鏡、凹面自聚焦以及相控陣等方式常被用來實(shí)現(xiàn)聲能量的聚焦[3]。在這些方式中，聲透鏡與凹面自聚焦這兩種聚焦方式由于可以提供較大的聚焦增益且性能穩(wěn)定，應(yīng)用最為廣泛。然而由于制造工藝的約束，其聚焦效率受到限制。

另一方面，聲學(xué)超構(gòu)材料由于具有周期結(jié)構(gòu)的特性，可以通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)聲波的定向操控，帶來了諸如聲異常透射(Extraordinary acoustic transmission，EAT)、負(fù)折射和異常隔聲等聲學(xué)效應(yīng)，對(duì)聚焦換能器的研究有著重大的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[4-6]。其中EAT效應(yīng)可用于增強(qiáng)換能器的透射效率。EAT的研究可追溯至早期光學(xué)方面的發(fā)現(xiàn)，Ebbesen等[7]在金屬薄膜上設(shè)計(jì)亞波長孔周期陣列并讓光通過，結(jié)果發(fā)現(xiàn)光通過薄膜后觀察到特定頻率上的透射增強(qiáng)，且增強(qiáng)的頻率與結(jié)構(gòu)周期緊密相關(guān)，并將其命名為光學(xué)異常透射(Extraordinary optical transmission，EOT)。表面等離激元被認(rèn)為是其實(shí)現(xiàn)光學(xué)增強(qiáng)的主要機(jī)制[8]。聲學(xué)與光學(xué)都具有波動(dòng)的性質(zhì)，滿足傳統(tǒng)斯涅爾定律。受光學(xué)研究的啟發(fā)，研究者開始在聲學(xué)領(lǐng)域借助亞波長結(jié)構(gòu)探討實(shí)現(xiàn)類似于EOT的現(xiàn)象。Christensen等借助中心開口、兩側(cè)刻周期性凹槽的剛性板實(shí)現(xiàn)了聲準(zhǔn)直現(xiàn)象[9]；同時(shí)期，研究者探討了亞波長周期結(jié)構(gòu)對(duì)Fabry-Perot (FP)共振的調(diào)制作用，通過理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方式，揭示周期結(jié)構(gòu)激發(fā)衍射倏逝波在聲學(xué)透射過程中具有重要作用[5]；盧等[10]對(duì)一維周期結(jié)構(gòu)陣列的透射機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并將這種受結(jié)構(gòu)調(diào)制的聲學(xué)透射增強(qiáng)直接命名為EAT?？紤]到其潛在應(yīng)用價(jià)值，被設(shè)計(jì)用來實(shí)現(xiàn)單個(gè)特定頻率[10-12]和寬帶[4，13，14]透射增強(qiáng)的一維(1D)和二維(2D)亞波長孔徑周期陣列已被廣泛研究。盡管其機(jī)制仍然存在爭議，但 EAT與結(jié)構(gòu)激發(fā)表面倏逝波和縫中FP共振的耦合有關(guān)這一觀點(diǎn)已被普遍接受[5，12，15-17]。與此同時(shí)，阻抗匹配在這種現(xiàn)象中同樣具有重要作用[13，18]。

然而，聲學(xué)中的研究大多集中在亞波長成像上。隨著研究的不斷深入，研究者也在考慮EAT在換能器透射效率增強(qiáng)上的應(yīng)用。Estrada等[6]指出，位于換能器表面的亞波長開口周期陣列也可用于提高普通換能器的聲輻射，通過使用一個(gè)二維的圓形環(huán)—布爾眼周期亞波長結(jié)構(gòu)，EAT也被觀察到，現(xiàn)象類似于之前光學(xué)中的報(bào)道[19，20]。但到目前為止，上面的結(jié)構(gòu)都未見應(yīng)用于治療超聲，其原因是它們只包含了平面陣列，不足以提供足夠強(qiáng)的聲壓應(yīng)用于熱療。

1 聲異常透射效應(yīng)理論模型[12，21]

聲超常透鏡與聲超構(gòu)聚焦換能器能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦性能改善，其物理本質(zhì)為聲透鏡表面附加的聲人工結(jié)構(gòu)所激發(fā)的EAT效應(yīng)。EAT的發(fā)生依賴于槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)h(槽深度)和L(槽周期)[6]。一般認(rèn)為，EAT的機(jī)制為通過正確調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)實(shí)現(xiàn)FP共振[5]、腔共振[15]、表面諧振[12]以及它們之間的耦合。與一般聲傳播類似，其研究方式主要基于聲波的反射及透射。

對(duì)于周期性聲人工結(jié)構(gòu)，假設(shè)凹槽的深度為無限深，那么自由空間中的聲場P1和凹槽中的聲場P2可分別描述為

(1)

式中：R(Q)是結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)，Q和q分別為x和z方向的波矢。x和z方向的波矢在二維坐標(biāo)系下存在著如下的關(guān)系

(2)

(3)

亞波長孔徑中的散射分為如圖1中所示的3種情形：垂直入射、掠入射和腔體模式分別處理。

圖1 亞波長孔徑中的3種散射模式示意圖Fig.1 Three scattering modes in sub-wavelength apertures

當(dāng)聲波為圖1所示垂直入射情形時(shí)，波矢可以表示為Q0=0，q0=k0，根據(jù)邊界條件z=0，可以得到

(4)

(5)

圖2 有限長孔徑的透射情況示意圖Fig.2 Transmission of a finite-long aperture

使用類似的推導(dǎo)，可以得到圖2中其他兩種情形下的反射系數(shù)和透射系數(shù)。垂直入射、掠入射和腔體模式3種散射模式的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別表示為

這6個(gè)系數(shù)對(duì)應(yīng)的是無限長孔徑中的情形，對(duì)于圖2所示的有限長空間，可以使用這6個(gè)系數(shù)推導(dǎo)出有限長孔徑對(duì)應(yīng)的傳輸系數(shù)。

假設(shè)如圖2所示的有限場孔徑結(jié)構(gòu)的深度為h，寬度w。若入射波幅值為1，同時(shí)假設(shè)有限長孔徑中入射波和反射波的幅值分別為B和A，那么根據(jù)邊界處聲壓連續(xù)、聲速連續(xù)的邊界條件，關(guān)于透射系數(shù)t和反射系數(shù)r的方程可以表示為

(6)

求解方程可以得到總的反射系數(shù)

(7)

通過這一系列推導(dǎo)，可得到有限長孔徑的透射系數(shù)和反射系數(shù)?；谶@一理論，在傳統(tǒng)聚焦聲透鏡上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)EAT的應(yīng)用。

2 聲學(xué)超常透鏡[21]

臨床HIFU治療中常用的聲透鏡式換能器由平面壓電陶瓷振子和凹面聲透鏡組成。這種換能器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，而且其焦距可以通過更換不同曲率半徑的聲透鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而在臨床上得到一定應(yīng)用。其聚焦效果與聲透鏡的形狀密切相關(guān)，常用的聚焦聲透鏡多為凹面球殼形。盡管可以實(shí)現(xiàn)聚焦，但此種換能器的制造由于需要考慮透鏡與平面壓電陶瓷的耦合，使其聚焦效率較低、焦點(diǎn)旁瓣幅度較大[22]。

2.1 基本原理

為了克服聲透鏡式換能器聚焦效率低、焦點(diǎn)旁瓣幅度大的缺陷，將聲人工結(jié)構(gòu)引入凹面型聲透鏡式換能器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)并制作了聲超常透鏡。圖3給出了傳統(tǒng)聲透鏡式和聲超常透鏡聚焦換能器的示意圖及其實(shí)驗(yàn)樣品圖。圖3(b)為聲超常透鏡的示意圖，其凹面由具有周期性分布的凹槽單元組成。為了比較聲超常透鏡和傳統(tǒng)聲透鏡的聚焦效果，同樣制作了傳統(tǒng)聲透鏡(如圖3(a)所示)。除了周期性凹槽，兩種換能器具有相同的幾何尺寸：球面半徑r，張角θ和透鏡厚度H。聲超常透鏡上所附加的聲人工結(jié)構(gòu)參數(shù)為：凹槽寬度d，深度h，周期長度即凹槽的間隔L。圖3(c)為鋁作為原材料制作出的傳統(tǒng)聲透鏡和聲超常透鏡的實(shí)驗(yàn)樣品。

圖3 兩種聚焦換能器的示意圖及其實(shí)驗(yàn)樣品圖Fig.3 Diagrams of two kinds of focused transduces and their experimental samples

在聲超常透鏡中，由于聲人工結(jié)構(gòu)單元的尺寸d遠(yuǎn)小于聲波波長，因而可將每個(gè)凹槽結(jié)構(gòu)視為獨(dú)立的點(diǎn)聲源。從凹槽輻射出的聲波會(huì)受到其他凹槽處聲源的影響。為了便于描述，忽略更高階的反射，僅考慮凹槽間的一次反射的貢獻(xiàn)，則第n個(gè)凹槽所輻射出來的聲壓pgn可描述為

(8)

式中:n代表凹槽的序號(hào)，以聲超常透鏡的中心凹槽為0，將凹槽從下到上標(biāo)記為-nmax到nmax，pgn,0和pgm,0分別表示從第n個(gè)凹槽和m個(gè)凹槽直接輻射的聲波；Atot表示聲波從第m個(gè)凹槽到第n個(gè)凹槽的聲傳輸系數(shù)[12]；tg為凹槽掠入射的反射系數(shù)。

聲超常透鏡輻射出的聲場可以視為由兩部分組成: 從凹槽處輻射出的聲場(pgn)和從無凹槽處輻射出的聲場(pu)。聲超常透鏡的總聲場可以描述為

(9)

式中：p(R) 代表在R矢量處的聲壓；ω為驅(qū)動(dòng)角頻率；ΔS是每個(gè)凹槽的面積； c和k分別為傳輸媒質(zhì)中的聲速和波數(shù)；D表示點(diǎn)R到透鏡表面的距離。式(8)給出了聲超常透鏡的聲壓分布，通過與傳統(tǒng)聲透鏡聲場進(jìn)行對(duì)比，可以比較兩者的聚焦效果。

2.2 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量

一個(gè)基于有限元軟件(ComsolMultiphysicsv4.3,COMSOLInc.,PaloAlto,CA,USA)開發(fā)的程序包被用來計(jì)算如圖3所示傳統(tǒng)聲透鏡聚焦換能器和聲超常透鏡換能器的聲壓分布。兩種聲透鏡共有的參數(shù)設(shè)置為：半徑r=75mm，換能器張角 θ=40°，厚度H=10 mm。聲超常透鏡上附加聲人工結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置為：凹槽周期長度L=2.72 mm(對(duì)應(yīng)的頻率為547 kHz)，槽寬度d=1 mm，槽深度h=2 mm。周圍的傳輸媒質(zhì)設(shè)置為水，其密度和聲速分別為ρW=1 000 kg/m3和cW=1 490 m/s。聲透鏡材料為鋁，其密度和聲速分別為ρAl=2 700 kg/m3和cAl=6 400 m/s。根據(jù)前面的分析，周期長度L=2.72 mm，對(duì)應(yīng)的頻率為547 kHz，將會(huì)在略小于凹槽周期對(duì)應(yīng)的頻率處激發(fā)聲異常透射效應(yīng)[11，12]，具體的頻率值隨凹槽的參數(shù)形狀有所偏移。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental device

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。在發(fā)射端使用波形發(fā)生器(33250A, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)生成波形信號(hào)，波形發(fā)生器生成的波形信號(hào)經(jīng)過寬頻功率放大器 (53 dB gain, 2200L, Electronics and Innovation Ltd, Rochester, NY, USA)放大用于驅(qū)動(dòng)平面換能器。在接收端使用直徑0.4 mm的針式水聽器(HNC-0400, ONDA Corporation, Sunnyvale, CA, USA)來測量聲壓幅值。針式水聽器通過PC上基于的Labview (National Instruments, Austin, TX, USA)平臺(tái)編寫的程序控制三維掃描系統(tǒng)(Controller Model: XPS-C8, Newport, Irvine, CA, USA)實(shí)現(xiàn)換能器焦域的聲場掃描同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3 結(jié)果與討論

圖5給出了在540 kHz超聲激勵(lì)下，傳統(tǒng)聲透鏡和聲超常透鏡焦平面處聲壓分布的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。從圖5可以看出，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著較好的吻合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，相對(duì)于傳統(tǒng)聲透鏡，聲超常透鏡可以有效地抑制旁瓣，提高聚焦增益。

圖5 傳統(tǒng)聲透鏡和聲超常透鏡焦平面處聲壓分布的理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果Fig.5 Theoretical calculation results and experimental measurement results of acoustic pressure distribution on the focal plane of conventional acoustic lens and corrugated lens

圖6顯示了焦平面沿y軸的歸一化聲壓分布，焦點(diǎn)最大聲壓被視為參考聲壓進(jìn)行歸一化。相對(duì)于傳統(tǒng)聲透鏡，聲超常透鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)焦點(diǎn)旁瓣幅值從0.32到0.23的改進(jìn)；相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果則實(shí)現(xiàn)了從0.29到0.21的改進(jìn)。由圖6子圖中絕對(duì)聲壓的分布可見，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示：兩種聲透鏡換能器焦點(diǎn)處旁瓣的絕對(duì)幅度相近，然而使用聲超常透鏡所得焦點(diǎn)中心聲壓幅值遠(yuǎn)大于使用傳統(tǒng)聲學(xué)透鏡得到的焦點(diǎn)聲壓。結(jié)果表明，聲超常透鏡成功地在聚焦聲場中引入了聲準(zhǔn)直效應(yīng)，通過聲準(zhǔn)直效應(yīng)將部分衍射的聲場能量匯聚到焦點(diǎn)區(qū)域，從而提高了焦點(diǎn)聲壓的絕對(duì)幅值。

圖6 聲超常透鏡和傳統(tǒng)聲透鏡聲壓分布的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Numerical simulation and experimental results of acoustic pressure distribution for corrugated lens and conventional acoustic lenses

圖7 傳統(tǒng)聲透鏡和聲超常透鏡的頻率響應(yīng)曲線Fig.7 Frequency response curves of conventional acoustic lens and corrugated lens

頻率響應(yīng)特征是聚焦換能器的一個(gè)重要的參數(shù)，換能器的頻率響應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中有著重要意義。圖7 給出了傳統(tǒng)聲透鏡和聲超常透鏡的頻率響應(yīng)曲線，其中歸一化旁瓣值通過旁瓣幅度除以主瓣幅度獲得。圖7中的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示，聲超常透鏡能夠在頻率fd= 540 kHz附近顯著降低焦點(diǎn)旁瓣幅值。這一頻率與所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)聲準(zhǔn)直效應(yīng)的頻率相符，從而說明是聲準(zhǔn)直效應(yīng)改善了聲聚焦。圖7中的結(jié)果還表明聲超常透鏡在512～544 kHz的頻率范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)旁瓣的幅值抑制效果(有效帶寬為32 kHz)，聲準(zhǔn)直效應(yīng)只能在很窄的頻率范圍內(nèi)發(fā)生。這一結(jié)果將有助于進(jìn)一步提高HIFU的治療效率。

3 超構(gòu)聚焦換能器[23]

相比聲透鏡聚焦方式，凹面自聚焦直接將壓電陶瓷材料加工成球冠狀，避免壓電陶瓷與聲聚焦透鏡的耦合，從而提供較高的焦域聲能量增益。但治療換能器一般為單頻，其諧振頻率與材料的幾何尺寸相關(guān)。對(duì)大面積壓電材料進(jìn)行加工，一方面工藝較為復(fù)雜、加工難度大；另一方面，也會(huì)造成較大的誤差，影響其發(fā)射效率。

3.1 超構(gòu)聚焦換能器設(shè)計(jì)

圖8給出了傳統(tǒng)凹面聚焦換能器和超構(gòu)聚焦換能器的示意圖及其樣品實(shí)物圖，其中改進(jìn)的凹面聚焦換能器如圖8(b)所示，亞波長槽的周期陣列被設(shè)計(jì)在換能器表面。作為對(duì)比，傳統(tǒng)的凹面換能器也顯示在圖8(a)中。這兩種換能器都包含了一塊球弧狀彎曲的壓電陶瓷晶體和凹面鋁透鏡，鋁透鏡被耦合到壓電陶瓷晶體表面。兩種棱鏡的部分參數(shù)相同為：半徑r=45 mm, 開口角θ=90°, 最大棱鏡厚度H=4.5 mm。對(duì)于具有亞波長槽周期陣列的超構(gòu)聚焦換能器(簡稱超構(gòu)聚焦換能器或紋狀換能器或紋狀換能器)，增加的參數(shù)有：槽周期長度L=1.49 mm, 槽寬d=0.53 mm, 槽深h=1 mm。匹配層的厚度被設(shè)計(jì)成能夠最大限度透過超聲，且每一個(gè)槽都具有發(fā)射聲波的能力。

圖8 傳統(tǒng)凹面和超構(gòu)聚焦換能器的示意圖及其樣品實(shí)物圖Fig.8 Diagrams of conventional concave and metamaterial focused transducers and experimental samples

為了說明具有表面周期陣列的超構(gòu)聚焦換能器的聚焦增強(qiáng)效果，同時(shí)從理論及實(shí)驗(yàn)兩方面研究了超構(gòu)聚焦換能器與傳統(tǒng)凹面換能器的聲壓分布和在組織中產(chǎn)生的溫升。聲壓部分所使用的方法與聲學(xué)超常透鏡的研究相同。對(duì)于相應(yīng)組織中產(chǎn)生的溫升，一塊組織體模被HIFU輻照并獲得焦點(diǎn)溫升。忽略了血流灌注的Pennes生物傳熱方程被用來描述組織中的溫度變化[24]，即有

(10)

式中：T為組織溫度；ρ0為介質(zhì)密度；K和Ct分別為介質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容。Q為吸收聲能量，可表示為[25]

(11)

式中：n為最高階諧波次數(shù)，此處N為最大值；α0為基頻對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)；c0為介質(zhì)的聲速；μ為功率指數(shù)；Cn為n次諧波成分的復(fù)合聲壓。由于式(9)僅僅適用于線性聲傳播，所以在此處N=1。

仿真中用到的組織體模[26]的參數(shù)為：密度ρp=1 160kg/m3，聲速cp=1 505m/s，吸收系數(shù)αp=6Np/m/MHz(在 1MHz處)，熱傳導(dǎo)系數(shù)kt=0.5W/m/℃，比熱容Ct=3 365W·s/m3/℃，功率指數(shù)μ=1。實(shí)驗(yàn)上，直徑0.25 mm的熱電偶(TJ72-CASS-010G-4，Omega, Engineering Inc.，Stamford，CT)被連接到一個(gè)測量模塊(NI 9214, National Instruments, USA)同步獲得焦點(diǎn)溫度變化。溫度檢測過程中，仿組織體模被放置于HIFU換能器焦點(diǎn)位置，其熱損傷的溫度閾值為40 ℃。

3.2 聲場結(jié)果

圖9給出了焦域處超構(gòu)聚焦換能器和傳統(tǒng)聚焦換能器的聲壓分布結(jié)果，其中圖9(a，b)為頻率為1 020 kHz時(shí)兩種聚焦換能器焦平面上聲壓的理論計(jì)算結(jié)果。對(duì)于超構(gòu)聚焦換能器情形，焦域處的聲壓明顯大于傳統(tǒng)換能器。圖9(c，d)為對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測量聲壓分布，結(jié)果與圖9(a，b)的理論計(jì)算結(jié)果一致。對(duì)比傳統(tǒng)聚焦換能器，超構(gòu)聚焦換能器未見焦域旁瓣發(fā)生明顯變化，但焦域處的聲壓升高。圖10為兩個(gè)換能器隨頻率變化的焦點(diǎn)聲壓及相對(duì)旁瓣幅度。在相同的驅(qū)動(dòng)條件下，傳統(tǒng)凹面聚焦換能器組焦點(diǎn)聲壓隨頻率增加單調(diào)下降。然而超構(gòu)聚焦換能器組在1 020 kHz處卻出現(xiàn)最大值，且相對(duì)傳統(tǒng)換能器有約4 dB的最大聲壓增益。

圖9 焦域處兩種換能器的聲壓分布Fig.9 Acoustic pressure distributions of two types of transducers in the focal region

圖10 隨頻率變化的兩種換能器焦點(diǎn)聲壓Fig.10 Focus acoustic pressure of two transducers as a function of frequency

3.3 溫升結(jié)果

當(dāng)聲束通過組織體模時(shí)，聲場的部分能量會(huì)被體模吸收然后轉(zhuǎn)換為熱能。圖11顯示了經(jīng)歷相同時(shí)間(39 s)輻照后傳統(tǒng)聚焦換能器和超構(gòu)聚焦換能器的理論計(jì)算溫度分布,可見超構(gòu)聚焦換能器組的溫度輪廓更寬，焦點(diǎn)溫度更高。實(shí)驗(yàn)中，1塊環(huán)境溫度為27 ℃的仿組織體模分別被傳統(tǒng)聚焦換能器和超構(gòu)聚焦換能器在相同的幅度驅(qū)動(dòng)(頻率1 020 kHz；表面聲壓81.9 kPa)下進(jìn)行輻照。根據(jù)圖12所示，在輻照39 s時(shí)間內(nèi)，溫度都持續(xù)上升。整個(gè)輻照過程中，超構(gòu)聚焦換能器組溫升始終高于傳統(tǒng)換能器組，溫差在39 s時(shí)達(dá)到大約8 ℃，實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果一致。這充分說明具有周期陣列表面超構(gòu)聚焦換能器的使用使超聲的透射效率得到了提高，可以在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到組織消融的目的。從仿組織體模的損傷結(jié)果(圖13)可見，超構(gòu)聚焦換能器組輻照39 s后焦域處可見白色凝固性損傷形成；而在傳統(tǒng)聚焦換能器輻照組，由于輻照過程中焦域的最高溫度一直未達(dá)到致使仿組織凝膠體模形成損傷的閾值溫度(40 ℃)，因此輻照結(jié)束后始終未見損傷形成(見圖13)。

圖11 經(jīng)過相同時(shí)間輻照后兩種聚焦換能器對(duì)應(yīng)焦平面的仿真溫度分布Fig.11 Simulated temperature distribution on the focal plane of two kinds of focused transducers after an irradiation duration of 39 s

圖12 輻照過程中的焦點(diǎn)溫升Fig.12 Temperature rise of focal point during the irradiation

圖13 兩種聚焦換能器輻照后的仿組織體模Fig.13 Tissue phantoms after irradiation for two kinds of focused transducers

4 結(jié)束語

雖然HIFU在治療腫瘤的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，為了實(shí)現(xiàn)安全高效的治療，換能器的聚焦效率這一關(guān)鍵問題仍然需要解決。另一方面，聲人工結(jié)構(gòu)材料可以實(shí)現(xiàn)聲波的定向操控，其中近年興起的聲學(xué)異常透射研究被視為物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。本文將EAT效應(yīng)引入聚焦換能器的設(shè)計(jì)，旨在提高HIFU換能器的聚焦效率，為HIFU換能器的設(shè)計(jì)提供一種新思路。