具有超构表面声透镜的环形超声换能器及优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器及优化设计方法，属于医疗器械领域。

背景技术

高强度聚焦超声(HIFU)是一种成熟运用于肿瘤治疗的非侵入式治疗方法，可以通过超声的热效应和机械效应损伤人体内的肿瘤组织。实现损伤区域的预测和实时监控，是实现安全治疗的前提，例如运用B超图像显示损伤区域。在实际治疗中常常使用B超探头和HIFU治疗探头的复合系统来进行手术，具体的结构在环形的聚焦式换能器中心开孔，放置B超探头。对于一种超声换能器，由于衍射效应，在声场的焦点区域一定会存在旁瓣，而减小旁瓣一直是各种超声治疗探头的设计目标，因为旁瓣使声能量堆积在别处，容易损伤目标治疗区域以外的组织，尤其对于中心开孔环形探头，会产生更大的旁瓣。近年来，利用声学人工结构来改善声场的聚焦效果成为了一个研究方向，有发现表明利用这种结构可以实现增强聚焦的效果，如Christensen等人在声学刚性板上加上周期性修饰后得到结构声表面波，获得声波透射增强和声准直波束。

另外经检索，关于运用声人工结构制作换能器的设计方法已有相关专利公开。如，中国专利申请号：201510816714.4，申请日为：2015年11月23日，发明创造名称：一种聚焦声透镜的设计方法，该申请案通过有限元模拟计算，对凹槽的结构参数进行优化设计，达到在非连续的频率范围上，抑制旁瓣的效果。但该申请所使用的设计优化方法，是通过循环列举所有组合的方法找出结构参数，找到有效参数的标准是透射频谱的峰值频率达到预期要求。这样的方法耗费时间巨大，不能兼顾计算的准确性和总时间，而且也没有针对环形换能器提出设计方案。

发明内容

本发明的目的在于克服：一、目前传统的环形超声治疗探头的声场焦点区域旁瓣过大的问题；所以提出了在换能器表面构建周期凹槽结构，通过声准直效应，缩小旁瓣、增大聚焦增益的方法，同时可以获得更高的焦点声强。已有的超构聚焦换能器是将此类结构应用在没有中心孔的球面上，而不是环形换能器领域。二、在以往的参数设计中所运用的搜索算法需要消耗的时间过长，难以应用在实际情况中，需要改变优化算法来获得设计方案。

为克服上述现有技术方案的不足，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器，所述换能器包括中心开孔且附加声学人工结构的声透镜、匹配层、压电晶片和换能器底座，所述声透镜、匹配层、压电晶片和换能器底座从上到下依次粘接在一起，并且在中心开孔内设有探头设备。

进一步的，所述声透镜为平凹形，并且在其凹面上设置有若干个半径按周期分布的同心圆环凹槽。

进一步的，所述同心圆环凹槽等间距分布，将间距称为半径的周期，所有圆环凹槽的圆心均位于声透镜的轴线上，这些同心圆环凹槽共同构成声学人工结构。

进一步的，每一道凹槽的尺寸都相同，且截面为扇形，槽的开口和底部对应圆环圆心的弧度相同。利用这一组特定尺寸的周期性凹槽，可以在结构中激发声表面波，获得声波反常透射和抑制衍射的效果，此处即将这一非衍射声束理论应用在超声聚焦设备的设计中。

进一步的，探头设备可采用B超探头。

另一方面，本发明还提供了一种针对上述具有超构表面声透镜的环形超声换能器的优化设计方法，该方法使用遗传算法作为优化算法，并以半径周期L、凹槽宽度d和凹槽深度h为遗传基因，以径向声压最大值与次级大值的比值为适应度，以适应度值最大为优化目标；具体优化步骤如下：

(1)初始化设置换能器和传播介质的固定参数，包括换能器的内圈直径、外圈直径、曲率半径、工作频率，以及介质的密度和声速，根据换能器的工作频率，选取初始半径周期、凹槽宽度和凹槽深度组合(L

(2)根据预设的种群规模，分别选取半径周期L、凹槽宽度d和凹槽深度h，L的范围为(L

(3)根据每个生命体包含的换能器参数计算其对应的声场分布，并从数据中提取声压最大值和径向次级大值，并计算径向声压最大值/次级大值的比值，作为适应度值；

(4)通过比较获得种群中所有生命体的最大适应度值，将与之对应的生命体取出，选取最大的适应度值为该生命体的适应度值；

(5)将本代精英生命体的适应度值与父代精英生命体的适应度值相比较，若本代精英生命体的适应度值更大，则更新精英生命体信息，反之则保留父代精英生命体信息；

(6)判断精英生命体信息是否已经达到连续M代未变化，或者已经达到最大进化代数；如果满足，则结束遗传选择；如果未满足，则继续遗传选择；

(7)以单个生命体适应度值在整个种群各生命体适应度值的总值中的占比为依据，以轮盘赌算法结合交叉概率，选择被保留的生命体；

(8)以被选中保留的生命体为基础，随机组合其中的半径周期、凹槽宽度和凹槽深度，生成新的生命体，并最终保持种群数量一致；

(9)按变异概率，对新形成的种群进行变异操作，被选中进行变异的生命体需重新随机设置半径周期、凹槽宽度和凹槽深度；

(10)回到步骤(3)的换能器阵列产生的声场计算，并逐步执行后续的遗传选择算法。

进一步的，计算声场分布可采用有限元法。对于每个生命体，对(L，d，h)取值的次数并不要求遍历所有步长下的可能性，而是以一个较大的计算次数为准，在计算次数足够大时，得到的结果近似于可能存在的最佳值，考虑到遗传算法寻找最优解的能力，这样的处理方式可以兼顾计算的准确性和总时间。

进一步的，所述半径周期L范围在(L

采用本发明提供的技术方案，与已有的技术相比具有如下显著效果：

(1)本发明的一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器的设计方法，和传统的增大发射振元、加工自聚焦压电晶片的方法比较，具有更好的主旁瓣比和聚焦增益。

(2)本设计方案利用了遗传算法，通过对半径周期L、凹槽宽度d和凹槽深度h进行优化设计，有计算准确，兼顾计算的准确性和总时间的优点，便于实施。

综上，本发明相比传统的无凹槽的环形聚焦声透镜式换能器，可以将能量集中在焦点区域，提高治疗的安全性和效率，降低治疗所需的电功率，提高超声治疗的可操纵性，并且可以简化设计的流程和步骤，兼顾计算的准确性和总时间。

附图说明

图1是具有超构表面声透镜的环形超声换能器的横截面简化示意图。

图2是使用遗传算法求出的仿真效果示意图，其中(a)表示优化前的换能器声场，(b)表示优化后的换能器声场。

图3是优化前后径向声压分布图比较。

图4是遗传算法优化流程图。

图中标记为：1-声透镜，2-匹配层，3-压电晶片，4-换能器底座，5-填充在中心孔的其他设备，例如B超探头。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例一。

如图1所示，一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器，其由中心开孔且附加声学人工结构的声透镜、匹配层、压电晶片和换能器底座，所述部件从上到下依次粘接在一起组成，其中，孔中心放置其他探头设备，例如B超探头；声透镜为平凹形，在凹面设置半径按周期分布的同心圆环凹槽结构。通过驱动平面压电晶片来实现聚焦效果。

实施例二。

在实施例一中，在声透镜凹面添加了周期环形凹槽结构，其参数不固定，不同参数的组合对应不同的声场分布，如何确定优化设计方案，需要采用数值方法来实现。本实施例提出的基于遗传算法的快速寻找最佳值的方法，相比于列举所有参数组合的方法，在计算时间上大大减少，优化结果也更好，优化效果如图2、3所示。图2中(a)和(b)分别是优化前和优化后的焦域声场分布，图中的虚线框里是旁瓣的位置，进一步参照图3线框处的图线，可以看出旁瓣面积和相对强度均得到缩小，本方案的优化方法可以更好的抑制旁瓣。本实施例将相关参数作为遗传基因，声场参数作为对自然环境的适应能力，通过多代的遗传、变异和自然选择，实现优化设计。具体而言，基于遗传算法的优化设计，在本实施例中，以周期L、宽度d和深度h为遗传基因，以径向声压最大值与次级大值的比值为适应度，以适应度值最大为优化目标，具体优化步骤如下：

1、初始化设置换能器压电晶片和传播介质的固定参数，包括换能器的内圈直径、外圈直径、曲率半径、工作频率，以及介质的密度和声速，这些参数是不随算法的运行而变化的。根据换能器的工作频率，选取初始半径周期、凹槽宽度和凹槽深度组合(L

2、根据预设的种群规模，分别选取半径周期L、凹槽宽度d和凹槽深度h，L的范围为(L

3、根据每个生命体包含的换能器参数计算其对应的声场分布，并从获得的声场分布中提取声压最大值、径向次极大值，并计算径向声压次极大值/最大值，作为适应度值。

4、比较得到种群中所有生命体的最大适应度值，将对应的生命体选定为精英生命体，单独提取其所有参数及适应度值。

5、将本代精英生命体的适应度值与父代精英生命体的适应度值相比较，如果本代精英生命体的适应度值更大则更新精英生命体信息，反之则保留父代精英生命体信息。

6、判断精英生命体信息是否已经达到连续5代未变化(根据需求也可以选择其他的连续未变化代数为判断依据)，或者已经达到最大进化代数。如果满足，则结束遗传选择；如果未满足，则继续遗传选择。

7、以单个生命体适应度值在整个种群各生命体适应度值的总值中的占比为依据，以轮盘赌算法结合交叉概率，选择被保留的生命体。

8、以被选中保留的生命体为基础，随机组合其中半径周期、凹槽宽度和凹槽深度，生成新的生命体，并最终保持种群数量保持一致。

9、按变异概率，对新形成的种群进行变异操作，被选中进行变异的生命体需重新随机设置半径周期、凹槽宽度和凹槽深度。

10、回到第三步的换能器阵列产生的声场计算，并逐步执行后续的遗传选择算法。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。