用于确定超声发射器的声功率的方法和系统

技术领域

本发明属于超声发射器校准领域。更确切地说，本发明涉及一种用于确定超声发射器的声功率的光学方法。

背景技术

超声技术广泛地应用于各种科学领域，诸如化学、生物和工业。另外，超声可用于医学的诊断和治疗应用。在大多数这些应用中，重要的是知道超声发射器的声功率，以安全和有效地使用超声发射器。

例如，在治疗应用中，所施加的声功率的剂量对于治疗的成功是关键的。在诊断应用中，意外的高功率可能超过诊断过程的临床功率限制，而意外的低功率可能导致对比度降低。在这两种情况下，最好测量超声发射器的声功率，作为该设备的常规质量控制的部分。

确定超声发射器的发射场中的声功率的一种方法是利用水听器探测声场。水听器是可测量液体介质中的局部声压的小型压电传感器。超声发射器的声场的分布可通过在驱动超声发射器的同时利用水听器三维筛查液体介质来映射。然而，该过程不仅耗时，而且如果传感器遇到大声功率密度的区域，诸如在超声发射器的焦点上，也可能破坏传感器。另外，如果声波长在尺寸上与水听器相当或小于水听器，则测量的声压分布和实际的声压分布会不同。

可替代地，可利用辐射力平衡来精确地确定声功率，该辐射力平衡通过其对液体容器中的吸声体的影响来积分净辐射压力。遗憾的是，测量结果容易受到环境振动的影响，并且仅在某一最小声功率水平之上有效。另外，在高功率水平下，吸声体可膨胀，并因此具有随时间变化的浮力，从而限制可利用辐射力平衡测量的最大功率。

还已知介质中的声场可用所谓的“纹影(Schlieren)”方法可视化，其中在光学装置中利用声波对测试介质的声光效应来光学区分经受声波的区域和没有声波的区域。

Xu et al(“Quantitative calibration of sound pressure in ultrasonicstanding waves using the Schlieren method”,Optics Express,Vol.25,No.17,2017)公开了一种用于在低声功率下校准高频超声驻波场的光学方法。该方法包括在水浴中引起声波的驻波，并用激光照射声波图案。作为声光效应的结果，光被相位调制，导致在设置在浴槽后面的透镜的傅立叶平面中的规则间隔的光条纹的衍射图案。测量衍射图案的光边缘的强度，并且基于光强度的相对大小，得出关于驻波的声功率引起光的相位调制的结论。

发明内容

然而，已知方法几乎不能在常规质量控制中实际实现，或者与不涵盖各种感兴趣情况的窄参数范围之外的技术缺点相关联。用水听器或辐射力平衡校准声功率的传统方法冗长且麻烦。另一方面，大多数光学方法需要技术人员设置校准和结果分析两者，并且通常仅可应用于某些声功率状态或用于特定的超声发射器配置，例如用于平面驻波。

鉴于这种现有技术，本发明的目的是提供一种改进的方法，用于通过简单步骤确定超声发射器的声功率，并且该方法还可应用于大声功率的方案，该方案可具有非线性变形的声(冲击)波，该波经常破坏水听器传感器，但是在实践中具有相关的应用，例如用于肾结石的体外冲击波治疗。

该目的通过根据独立权利要求的方法和系统来实现。从属权利要求涉及优选实施方式。

根据第一方面，本发明涉及一种用于确定超声发射器的声功率的方法。该方法包括将超声发射器联接至测试介质，并且驱动超声发射器以沿着声波传播方向在测试介质中引起声波，该声波引起测试介质的折射率的变化。该方法还包括：沿着与声波传播方向不同的光束方向，用准直光束选择性地照射测试介质的探索部分，使得准直光束与声波相交；以及使准直光束通过光学元件或光学组件，该光学元件或光学组件配置成将准直光束聚焦在焦平面中。该方法还包括：基于焦平面中的光强度分布的折射诱发宽度来确定超声发射器的声功率。

注意，在没有由于声波引起的折射率的任何变化的情况下，准直光束将聚焦在焦平面中的焦点上，并且光强度分布的宽度将为零或至少非常小。发明人认识到，通过测量光学元件或光学组件的焦平面中的光强度分布，可通过实验直接获取由于测试介质的折射率变化而产生的偏转角。由于声光效应，折射率变化的幅度取决于测试介质中的局部压力，因此可与超声发射器的声功率相关。具体地，本发明人发现，焦平面中的光强度分布有效地对应于探索部分中准直光束的偏转角上的积分，并且确定光强度分布的“扩展”或“宽度”可为测试介质中声功率的定量测量。

因此，本发明的方法涉及确定光强度分布的宽度，并从中推断声功率，这与现有技术中执行的衍射图案中各个条纹的亮度或相对强度的测量相反。

对光强度分布的宽度进行定量评估有多种方式。在实验中，发明人可确认，例如作为光强度分布的宽度的一种可能的定量评估，光强度分布的变化在相对宽的参数范围内线性地取决于超声发射器的声功率。然而，存在其它数学量，该其它数学量同样允许捕获由于由声功率以定量方式引起的折射率变化所引起的折射而引起的光强度分布在焦平面中的现象学“扩展”或“宽度”，并且本发明不限于其中的任何一个。表示焦平面中光强度分布的折射诱发宽度的量的其它可能的示例可从统计数学中获知，例如第二中心矩评估和离散和连续变量的许多类似过程，有时缩写为ANOVA(方差和协方差的分析，Analysis ofVariance and Covariance)，例如在MATLAB

另外，发明人的计算表明，声功率与宽度之间的数学关系，特别是光强度分布的变化，在实际相关的声功率状态下可令人惊奇地简单。

由于这种简单性，该方法可用于快速地利用实验以及数值上简单和稳健的过程来进行超声发射器的声功率的定量评估。

准直光束可直接产生，例如用激光器产生，或者可用点状光源和准直透镜的组合产生。点状光源可为单色的，诸如LED和针孔的组合。

准直光束可通过透镜和/或孔的适当组合选择性地照射测试介质的预定探索部分。

在优选实施方式中，选择性地照射探索部分，使得当沿着准直光束的光束方向观察时，声波与准直光束的整个横截面重叠。

通过用准直光束选择性地照射测试介质，使得准直光束与测试介质的部分相互作用，其中折射率在整个横截面上由声波进行调制，可抑制通过测试介质而不受影响并且将在焦平面的中心产生明亮焦点的光。因此，焦平面可在不使图像传感器饱和的情况下进行成像，使得可直接评估光强度分布以确定声功率，例如，在不(例如，数字地)补偿焦点中的光强度或使用空间滤波器的情况下。

在优选实施方式中，选择性地照射测试介质的探索部分包括：阻挡准直光束的部分，特别地通过可调节孔口，优选通过具有矩形形状的可调节孔口。

优选地，可调节孔布置在光路的一段中的测试介质的前面，在该光路中光束被准直，以直接选择准直光束的横截面，用于选择性地照射探索部分。可选择横截面以对应于声波场的预定部分，诸如超声发射器的焦点或行波声波的目标相互作用体积，以便于促进基于光强度分布的声功率的定量分析。

在一些实施方式中，利用准直透镜准直光束，并且沿着准直透镜与测试介质之间的光路布置可调节孔口，以选择准直光束的部分，用于选择性地照射探索部分。

优选地，孔口具有大致矩形的轮廓，并且可沿着二维方向进行调整，以便选择准直光束的宽度和高度，例如分别沿着声波的传播方向和垂直于声波的传播方向。矩形形状可便于校准用于执行该方法的测量设置，和/或可便于对结果的定量分析。

在优选实施方式中，准直光束选择性地照射由超声发射器在测试介质的探索部分中产生的预定数量的声波极值，特别是整数数量的声波极值。

焦平面的每个点中的光强度可有效地对应于在探索部分中的准直光束的诱导偏转角上的积分，作为与该点相关联的相应偏转距离的函数。照射预定(整数)数量的极值可平均出声压场的规则模式(例如，波峰和波谷)，并且因此可促进声功率的定量评估。例如，沿着声波的传播方向的孔口的宽度可对应于测试介质中声波的整数个波长。

优选地，在声波作用下的探索部分接近光学元件或光学组件的前焦平面，使得(后)焦平面中的图像对应于探索部分的傅立叶变换。换言之，该方法可在测试介质的探索部分中产生折射率分布的傅立叶变换。光学元件或光学组件的后焦平面可进行成像，以确定超声发射器的声功率，例如通过利用光敏CMOS或CCD阵列获得光强度分布的数字化图像。

焦平面的图像可用于确定光强度分布在焦平面中的扩展的宽度或幅度，例如相对于光学元件或光学组件的焦点。

在优选实施方式中，基于焦平面中的光强度分布相对于光强度分布的中心和/或相对于在没有声波的情况下所述焦平面中的焦点的空间变化，来确定的声功率。如本领域技术人员将理解的，该空间变化是光强度分布的“宽度”的示例。

发明人发现沿着焦平面的选择轴的光强度分布的空间变化与声功率成正比。该空间变化也可仅受光强度分布的调制可忽略不计的影响的测量，例如由于衍射效应。可相对于焦平面中的空间方向，例如，对应于超声波的传播方向或垂直于所述传播方向的方向，确定该空间变化。

在优选实施方式中，确定光强度分布的折射诱发宽度包括：基于焦平面的图像的二维坐标系的选择坐标的值来确定偏差度量，其中与选择坐标相对应的坐标轴特别地与超声发射器发射的声波的传播方向对准，或者基本上垂直于声波传播方向。

可相对于与声波的传播方向平行或垂直的空间方向来评估光强度分布在焦平面中的扩展，以便在由(行进的)声波的波峰和波谷的图案引起的测试介质中的压力梯度与由声场的空间分布引起的压力梯度之间进行区分，例如由于超声发射器的聚焦几何形状。在没有声波的情况下，坐标系可以以光学元件或光学组件的焦点为中心。

图像的每个点均可根据与所述点相关的光强度值进行加权。可认为光强度值包括关于探索部分的区域的空间范围或流行度的信息，所述区域导致光束朝向该点偏转并且与相应的压力梯度相关联。

在优选实施方式中，确定偏差度量在数学上等同于针对焦平面的图像的多个点，对所选坐标的归一化光强度值与平方值的乘积求和，特别地，根据以下等式：

其中，I

例如，对应于选择坐标w

上述表达式可视为实验上可确定的测量，其与探索部分中准直光束的诱导偏转角上的积分成正比。因此，它可为超声发射器的声功率的定量测量的基础。该多个点可基本上是图像的所有点，例如在图像已经针对噪声进行了校正之后和/或在已经从图像中去除噪声或饱和像素(例如在图像的原点中)之后，但是也可为实施方式中的点的部分，诸如图像的半平面或象限中的点，或者沿着图像的一个轴的点，或位于围绕图像的轴的走廊部中。

基于用于量化光强度分布的折射诱发宽度的上述表达式，可例如根据以下等式来确定声功率W。

其中K是与声波轮廓相关的无量纲常数，其可经验地或数值地确定，λ是声波的波长，f是光学元件或光学组件的焦距，ρ

然而，本领域技术人员将会理解，可等同地使用用于量化折射引起的扩展的其它偏差度量，或者换言之，光强度分布的宽度，例如与上述表达式成比例的偏差、从光强度分布的标准偏差导出的度量、或者包括亮度的预定分数的光强度分布的宽度，该预定分数为例如95％，并且可相应地修改上述等式。

另外，本领域技术人员将会理解的是，在确定光强度分布的折射诱发宽度之前，可针对背景噪声来校正焦平面的图像。例如，可使用低通滤波器对图像中的噪声进行滤波。作为另一个示例，例如在超声发射器和/或准直光束被关闭情况下，一个或多个参考图像可用于校正焦平面的图像以用于背景噪声和/或确定焦平面的中心。

在优选实施方式中，通过在超声发射器关闭的情况下对焦平面成像，并在没有超声波的情况下确定焦平面的结果图像中的光强度的加权平均值，来确定焦平面的中心。

本领域技术人员将理解，超声波可基于超声发射器配置和/或几何形状聚焦到超声焦点上。在一些实施方式中，超声发射器包括超声发射器阵列，超声发射器可根据它们的幅度和/或相位来选择性地控制，以便选择性地在预定位置处生成超声焦点。通过调节多个超声发射器的相位和/或幅度，超声聚焦位置可选择性地在默认位置周围移动。例如，当发射器的相位处于默认状态时，超声发射器可适于在超声发射器阵列的几何聚焦位置中产生超声焦点，并且配置为通过调整超声发射器阵列中的超声发射器的相位来在不同位置中产生超声焦点。超声发射器阵列的特征可为限定几何焦点的基本上球形的几何形状，并且可通过选择性地控制该阵列的元件来移动超声焦点位置。

因此，应认为术语“超声发射器”包括“多个超声发射器”，该多个超声发射器布置成作为复合超声发射器来在测试介质中诱发声场，并且特别为“超声发射器阵列”，例如各个超声发射器的相位和/或幅度能够可选择地控制。

多个超声发射器的声功率可在该多个超声发射器(例如阵列)的几何焦点中确定，但是在一些实施方式中也可在不同的、移位的焦点位置中确定。例如，通过经验地确定相应的现象学常数，可针对移位的聚焦位置来调整与探测区域中的声场的空间轮廓有关的无量纲常数。另外，还可通过考虑经验或数值确定的声学聚焦外部声场的空间轮廓的现象学常数，即通过确定例如相对于焦平面的中心在焦平面中的光强度分布的折射诱发宽度，来确定声学焦点外部的声功率。

在优选实施方式中，基于焦平面中的光强度的加权平均值来确定焦平面的中心。

测试介质应具有以下物理特性：测试介质的折射率是测试介质中的声压的函数，例如，根据Gladstone-Dale关系的线性函数，已在实验上用压力高达500MPa的水验证了Gladstone-Dale关系。

另外，测试介质对于声波和准直光束应该是基本透明的，例如，其特征在于，在通过探索部分传输期间，分别具有小于50％、小于30％、小于10％、或小于5％的声功率或光功率吸收。在许多应用中，水将是合适的测试介质，因为水与大多数医学超声发射器阻抗匹配，例如在诊断和治疗超声发射器的情况下。然而，本领域技术人员将理解的是，其它测试介质，例如凝胶、油或固态介质，也可与该方法结合使用。

在优选实施方式中，测试介质是液体，特别是透明液体，优选地是水或具有与水的阻抗类似的阻抗的另一种液体，并且该方法包括将超声发射器安装在测试介质的容器中，用于将超声发射器联接至测试介质。

例如，当测试介质在超声发射器的工作频率下的声阻抗在水的阻抗的50％内时，可认为该阻抗类似于水的阻抗，以便促进能量从超声发射器转移到测试介质，例如在超声发射器与测试介质之间的接口处的声功率的反射小于50％。

本领域技术人员将理解，该方法可应用于行波以及驻波。该方法可(固有地)在声波的多个波长上积分，作为确定光强度分布的折射诱发宽度/扩展的部分，而与声波是驻波、行波还是频闪探测脉冲准直光束无关。另外，由于该方法可主要依赖于对测试介质中的准直光束的“折射”效应，因而在一些实施方式中，光源可不需要相干。

该方法可有利地用于确定超声发射器的声焦点中的声功率，该声焦点可具有现有技术的方法不能容易地测量的高声功率。

在优选实施方式中，在超声发射器的超声焦点中确定声功率，并且该方法包括在测试介质中诱发超声焦点，并且用准直光束选择性地照射超声焦点，特别是在超声焦点的一阶最小值或二阶最小值之间。

优选地，在靠近超声焦点的声场的圆柱形部分中选择性地照射超声焦点，并且可通过具有用于阻挡准直光束的部分的可调矩形孔口来选择圆柱形部分。一阶最小值可作为超声焦点的纹影图像中的一阶零点出现，并且可调整孔口以选择性地照射超声焦点的纹影图像中的一阶零点之间的超声焦点。然而，本领域技术人员将理解，超声焦点的任何竖直或水平特征，特别是超声焦点的纹影图像的任何零点或极值，例如相对于垂直于声波传播方向的轴，可在实践中使用，以便校准用于确定声功率的孔口。

在第二方面，本发明涉及一种用于确定超声发射器的声功率的系统。该系统包括接口、孔口、光学元件或光学组件、成像组件和处理系统。该接口配置为将超声发射器联接至测试介质。该孔口配置为选择准直光束的部分，以用准直光束照射所述测试介质的探索部分，在该探索部分中存在由超声发射器产生的声波。该光学元件或光学组件配置成在没有声波的情况下将准直光束聚焦到焦平面上。成像组件配置为获得焦平面的图像。该处理系统配置为基于焦平面的图像中的光强度分布的折射诱发宽度来确定超声发射器的声功率。

接口可为测试介质(或保持测试介质的容器)的联接部分，以接收超声发射器，并在联接部分将声波联接至测试介质中。该接口可限定用于在该系统中接收超声发射器的预定位置。例如，该接口可包括配置成将超声发射器保持在预定位置(例如，在固定安装支架、扫描台或可平移载架上)的保持器。该接口可配置成相对于测试介质定向超声发射器，使得超声发射器产生声波，该声波沿着传播方向，并与准直光束相交。

光学元件或光学组件可配置成在用准直光束选择性地照射的测试介质的探索部分中产生折射率分布的傅立叶变换。例如，该接口可布置成接收超声发射器，使得探索部分靠近光学元件或光学组件的前焦平面。在一些实施方式中，保持器配置成将超声发射器保持在预定位置，在该预定位置超声发射器定向成使得朝向接近前焦平面的探索部分发射声波。

处理系统可包括单个处理单元，或者可包括功能上连接的多个处理单元。处理单元可包括微控制器、SIC、PLA(CPLA)、FPGA或其它处理设备，包括基于软件、硬件、固件或其组合操作的处理设备。处理设备可包括集成存储器，或与外部存储器通信，或两者，并且还可包括用于连接至传感器、设备、电器、集成逻辑电路、其它控制器等的接口，其中所述接口可配置为接收或发送信号，例如电信号、光信号、无线信号、声信号等。

处理系统可包括或控制信号发生器和放大器，用于控制超声发射器的工作状态或发射模式，和/或可控制来自光源的光发射，用于产生准直光束。另外，处理单元可包括用于接收与图像相关的光强度信息的接口，并且可向图像传感器发送控制信号以控制成像过程。

在优选实施方式中，成像组件包括二维图像传感器阵列，特别是CCD传感器阵列，用于获得焦平面的图像，其中二维图像传感器阵列优选地布置在焦平面中。

在优选实施方式中，处理系统配置为：通过基于焦平面的图像的二维坐标系的选择坐标的值来确定偏差度量，从而确定光强度分布的折射诱发宽度，其中，特别地，与选择坐标相对应的坐标轴与超声发射器发射的声波的传播方向对准，或者基本上垂直于声波传播方向。

在优选实施方式中，确定偏差度量在数学上等同于针对焦平面的图像的多个点，对所选坐标的平方值的乘积与归一化光强度值求和，特别是根据以下等式：

其中，I

在优选实施方式中，处理系统配置为基于焦平面的图像中的光强度的加权平均值来确定焦平面的图像的中心。

在优选实施方式中，处理系统配置为通过在超声发射器关闭的情况下记录焦平面的图像并且在没有超声波的情况下确定焦平面的结果图像中的光强度的加权平均值来确定焦平面的图像的中心。

在优选实施方式中，孔口是可调节的，特别是矩形，其中优选地，矩形孔口的两个尺寸是可单独调节的。

在优选实施方式中，系统配置成用准直光束选择性地照射来自超声发射器的预定数量的声波极值，特别是整数数量的声波极值。

在优选实施方式中，在超声发射器的超声焦点中确定声功率，并且该系统配置成用准直光束选择性地照射超声焦点，特别是在超声焦点的一阶最小值或二阶最小值之间。

在优选实施方式中，测试介质是液体，特别是透明液体，优选地是水或具有阻抗类似于水的阻抗的另一种液体，该系统包括用于测试介质的透明容器，并且接口适于将超声发射器联接至容器中的测试介质。

在优选实施方式中，该系统还包括点状光源和准直透镜，准直透镜配置成产生准直光束，其中点状光源特别地包括LED和/或针孔。

例如，LED可构成点状光源。在一些实施方式中，针孔用于限制光源的空间原点，以实现用于系统目的的点状光源。在一些实施方式中，LED和针孔二者用于提供点状光源。

在优选实施方式中，该系统包括保持器，该保持器配置成将超声发射器保持在一定位置，使得探索部分和光学元件或光学组件之间沿着准直光束的光束方向的距离对应于光学元件或光学组件的焦距。

在一些实施方式中，该系统还包括空间滤波器，该空间滤波器配置和/或布置成在没有声波的情况下衰减与焦平面的焦点或其图像相关联的亮度，以便重建测试介质中的声波的纹影图像。

例如，该系统可包括在光学元件或光学组件与成像组件之间的光路中的分束器，其中，分束器配置为在与测试介质相互作用之后将准直光束分成朝向成像组件的第一光束和朝向空间滤波器的第二光束。

可替代地，用于对焦平面成像的成像组件可在第一配置和第二配置之间重新配置，在第一配置中焦平面由图像传感器成像，在第二配置中测试介质的探索部分的图像在图像传感器上进行重构。在第二配置中，空间滤波器可对焦平面的焦点(或其图像)进行滤波，以重构测试介质中的声波的纹影图像。作为示例，成像组件的光学元件可为可调节的或可更换的，以选择第一配置或第二配置，并且可重新配置的空间滤波器可选择性地过滤成像组件中的焦平面的中间图像的部分，以选择性地成像纹影图像或焦平面的图像。

测试介质中的声波的纹影图像可用于调整孔口，以选择性地照射测试介质的特定部分。例如，操作者可调整孔口，使得用准直光束选择性地照射超声发射器的焦点，并且随后可基于焦平面中的光强度分布来确定声功率。因此，可在测量声功率之前验证孔口的正确位置，从而可更精确地确定声功率。在一些实施方式中，该系统配置为以脉冲模式、以与超声发射器的(工作)频率相对应的频率驱动光源，使得准直光束以频闪方式探测测试介质中的声波，以获得纹影图像。

然而，本领域技术人员将会理解的是，用纹影图像进行这种校准仅仅是可选的。例如，聚焦的超声发射器的空间发射轮廓可为已知的，并且该系统可配置成选择性地在已知的空间位置处照射聚焦的超声发射器的超声焦点。另外，在一些实施方式中，可基于纹影图像自动地执行校准。

在第三方面，本发明涉及一种包括机器可读指令的计算机程序，当所述计算机程序由处理系统执行时，所述机器可读指令使得所述处理系统实现根据第一方面的方法。

附图说明

通过参考附图对优选实施方式的详细描述，将最好地理解根据本发明的方法和系统的特征和许多优点，在附图中：

图1示意性地示出了用于校准超声发射器的声功率的系统的示例；

图2示出了根据示例的用于确定超声发射器的声功率的方法的流程图；

图3示出了图1所示的系统的部分中偏转光束的方向的几何结构；

图4示出了用于示例性偏转光束的焦平面中的图像的几何结构；

图5A、图5B示出了在声场的纹影可视化中孔口对探索部分的选择的影响；

图6A、图6B示出了由针对两个不同声功率的选择性地照射的超声聚焦产生的、焦平面中的光强度分布的数字化图像的示例；

图7示出了根据图2的方法确定的作为声功率的函数的沿u方向的光强度分布的方差

图8示出了作为利用根据图2的方法确定的声功率的函数的沿v方向的光强度分布的方差

图9示出了根据另一示例的用于校准超声发射器的声功率的系统。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于校准超声发射器12的声功率的系统10的示例。系统10包括照明针孔16的光源14，用于形成电磁波的点状光源。优选地，由光源14发射的光束处于可见光谱中，例如具有在310nm与1100nm之间的波长，优选地在大约380nm与大约750nm之间，以便于操作人员校准和控制系统10。光源14可为单色的，以最小化像差的影响。例如，光源14可为LED或激光器。

点状光源14应该布置在准直透镜18的焦平面中，使得从光源14发出的光束在准直透镜18后面形成准直光束19。准直光束19通过阻挡准直光束19的部分的孔口22。然后，当沿着光束方向24观察时，准直光束20的透射部分的横截面可对应于孔口22的横截面。

准直光束20可入射在通常是水的测试介质的容器26的透明壁上，超声发射器12可安装在测试介质中。可驱动超声发射器12，以在容器26中的测试介质中诱发声波，例如具有如图1所示的超声焦点28。

在下面的讨论中，将公开一种用于定量地确定超声焦点28中的声功率的明确方法。然而，本领域技术人员将理解的是，该应用仅仅是示例性的，并且该方法同样可用于确定未聚焦超声发射器的声功率，例如在驻波或行波平面波的场中。

优选地调整孔口22，使得当沿着光束方向24观察时，声波和准直光束20的透射部分在准直光束20的透射部分的整个横截面上重叠。例如，透射的准直光束20的横截面可对应于矩形，该矩形的高度对应于超声焦点28沿y方向(垂直于投影平面)的一阶最小值与对应于声波的预定数量的极值的诸如5个波长的宽度之间的距离α。一阶最小值可作为超声焦点28的纹影图像中的一阶零点出现，并且因此可基于感兴趣区域的实验可用图像中具有低光强度的区域的位置沿y方向调整孔口22。准直光束20的透射部分以近似直角与声波相交，例如以70°至110°之间的角度，例如以基本上90°与声波相交。

在准直光束20在声波的影响下与测试介质相互作用之后，准直光束20通过聚焦透镜30，该聚焦透镜30配置成将准直光束20聚焦到焦平面32上。聚焦透镜30可沿着光束方向24与所研究的相互作用区域相距一定距离，例如与超声焦点28相距一定距离，该距离可对应于聚焦透镜30的焦距f。该距离可大约为焦距f，以便在焦平面32中获得超声焦点28的傅立叶变换。然而，由于折射角通常可保持较小，场深度可相对较大，使得所研究的相互作用区域和聚焦透镜30之间的距离不需要严格等于f。例如，为了量化平面波超声场的光功率，聚焦透镜30的前焦平面可布置在未聚焦的超声场的几何中心，该未聚焦的超声场可沿光束方向24显著延伸。本领域技术人员将会理解的是，例如通过采用焦距f减小或增大的聚焦透镜30，可选择适于声波场几何形状的场深度。然后，可认为聚焦透镜30有效地产生超声焦点28中的折射率分布的傅立叶变换，选择性地用聚焦平面32中的准直光束20照射所述超声焦点28，所述聚焦平面32位于聚焦透镜30的相对侧，并且与聚焦透镜30隔开焦距f。

二维图像传感器阵列34，例如CMOS或CCD屏幕，布置在焦平面32中，以对焦平面32成像，并获得可在计算机屏幕36上再现的数字化图像。

控制系统38可控制超声发射器12的声波发射，并且还可控制光源14的光发射。例如，信号发生器40可产生用于控制超声发射器12和/或光源14的发射的周期性信号，例如可产生谐波(例如正弦)波和/或脉冲，以分别发射到超声发射器12和光源14。谐波信号可由放大器42放大，并且该信号可与匹配电路44中的超声发射器12阻抗匹配，以用于驱动超声发射器12。在一些实例中，光源14以超声发射器12的工作频率进行脉冲调制，以便频闪地探测声波场。

图2示出了根据实例的用于确定超声发射器12的声功率的方法的流程图。该方法包括将超声发射器12联接至测试介质(S10)，并驱动超声发射器12以沿着声波传播方向在测试介质中诱发声波(S12)，该声波引起测试介质的折射率变化。该方法还包括用准直光束20选择性地照射测试介质的探索部分28(S14)，其中沿不同于声波传播方向的光束方向24照射探索部分，使得准直光束20与声波相交。该方法还包括：使准直光束20通过配置成用于将准直光束20聚焦在焦平面32中的光学元件30或光学组件(S16)，并且基于焦平面32中的光强度分布的折射诱发宽度来确定超声发射器12的声功率(S18)。

例如，利用图1中的二维图像传感器阵列34获得的焦平面32的图像可由处理单元分析，以确定光强度分布的折射诱发宽度。处理单元可从折射诱发宽度导出超声焦点28中的声功率的定量测量。

图3示出了图1所示的系统10的部分中的偏转光束46的方向的几何结构。可认为焦平面32的每个点中的光强度分布有效地对应于由于超声焦点中的折射率调制而产生的选择性照射的超声焦点28中的准直光束20的偏转角上的积分。

由测试介质中变化的压力引起的容器26中测试介质的折射率的调制可根据Gladstone Dale关系定量地确定：

其中n

其中c是声波在水中的相速度。折射率调制引起入射准直光束20的折射。

结果，准直光束20可分别以相对于x和y方向的角度ε

沿x/y的折射率调制可根据下式写成沿x和y的压力调制的函数：

导致表达式

对于偏转光束46在通过超声焦点48之后的角度ε

根据Snell定律，在准直光束20通过容器26之后，水中的角度ε

本领域技术人员可理解的是，原则上，容器26的材料可引起额外的偏转。然而，为了简单起见，下面将忽略这种通常较小的偏转。

图4示出了由谐波声波52引起的测试介质(由第一平面示意性地示出)中的调制折射率分布引起的第一偏转光束48和第二偏转光束50在焦平面32中的图像的几何构造。第一偏转光束48在空间P1中的点处偏转角度ε

第二偏转光束50入射到空间P2中的不同点上，该不同点具有与P1相同的压力梯度，因此以相同的角度ε

角度ε

其中f是聚焦透镜30的焦距，u和v是焦平面32的图像中分别对应于容器26中x和y方向的坐标。与角度ε

由于沿着靠近超声焦点28的声波传播方向的平均压力场p(x,y,z,t)的变化可忽略，即对于具有可忽略的吸收的测试介质中的谐波，可基于压力场p(x,y,z,t)根据下式确定声波的有效强度：

其中t

声功率W可被确定为区域A上的有效强度I

其中可认为区域A有效地对应于图1的系统10中的准直光束20的横截面。

等式(5)的压力梯度原则上可基于作为偏转光束46的真实空间原点的函数的偏转角来确定，即ε

相反，本发明人导出了用于近似球形声焦点中的声波的实例的声功率的唯象近似。本领域技术人员将从下面的讨论中理解，该近似可扩展到平面波或非球面焦点。

大部分强度(大约87％可包括于声学焦点的一阶最小值之间(沿着图1中的y)，因此可用作区域A的适当的竖直边界，该区域A可通过实验用孔口22选择。

对于超声焦点28中的中间声功率水平，声波可被假定为谐波，使得等式(10)的压力积分可近似为：

/>

其中考虑到超声焦点28的压力分布，K是无量纲常数。本发明人发现，由于焦点的几何形状以衍射为主，所以K将随声功率和所使用的超声发射器12的类型而可忽略地变化，并且因此可针对给定的F数和测试介质通过实验来确定。优选地，准备用于不同F数和不同测试介质中的超声发射器12的查找表，并且可从查找表中选择合适的K。对于在水中的F数为F/1的超声发射器12，实验发现K大约为2。

等式(11)的积分可通过考虑声波是谐波使得压力p(x)和压力梯度dp(x)/dx根据下式相关来简化：

其中，是压力幅度，ω是声波的角频率，k是声波的波数(根据k＝2π/λ与声波的波长有关)。因此，在等式(11)中的压力场上的积分可根据下式用压力梯度的积分表示：

其中，使用等式(6)-(8)可根据聚焦透镜30的焦平面32中的实际空间偏转u、v重新表示为下面的表达式：

导致声功率的以下表达式：

积分的解可根据下式，通过实验对应于焦平面32中的光强度分布沿方向u(相当于声波沿x的传播方向)的变化：

其中求和是在焦平面32中的检测器34的所有像素i上进行的，并且ILi是在i个像素中的每一个中的光强度。

这导致用于声功率的以下表达式

除了实验装置的变量，即聚焦透镜30的焦距f、声波的波长λ、测试介质的密度ρ0和折射率n

因此，焦平面32的光强度分布的几何扩展可用于定量地评估超声焦点28中的声功率。沿着u的偏转可基本上是由声波的波峰和波谷序列引起的压力梯度引起的，使得等式(15)的表达式可以以直接的方式延伸到平面(行)波。

如图4所示，偏转光束46也可根据沿y方向的压力梯度而沿v方向偏转角度ε

沿着y的偏转可由垂直于声波传播方向的超声焦点28的压力分布引起。在示例性圆形超声发射器12的超声焦点28中，压力分布可根据以下等式遵循JINC函数：

在远场中，其中J1是具有零r的一阶贝塞尔函数：

并且其中d是用于产生超声焦点28的圆形超声发射器12的直径。

通常，对于超声焦点28中的大致圆柱形的压力分布，压力分布可例如根据下式分成径向部分(即，沿着径向方向r)和轴向部分(沿着x)：

p(x,r)＝p

这允许根据以下等式近似平均径向梯度：

其中和M是与压力分布的径向形式有关的平均参数。

为了评估等式(10)的积分，等式(11)可根据下式近似为沿y的(平均)压力梯度dp/dy的函数：

其中沿y的梯度已经近似地通过沿径向方向r的压力梯度来表示：

并且由于压力分布的径向形式而引起的校正已经被近似为现象学常数M的部分。在等式(23)中用等式(18)代替导致：

使得声功率可表示为沿着v(对应于y方向)的偏转的函数，如：

其中积分可通过实验确定为焦平面32中的图像沿v的变化：

并且可根据以下等式来评估声功率：

其中K和M已经组合成由超声焦点28的径向轮廓产生的现象常数L＝K/M，并且可通过数字或经验确定。对于发明人的实验中的球形超声焦点28(在水中具有F/1的声换能器)，L近似为2，类似于现象学常数K。

另外，除了实验装置的已知变量，即，焦距f、声波的波长λ、测试介质的密度ρ0和折射率n

通过衍射，距离a确定地取决于超声发射器12的特性，使得a也可用沿着x的声焦距F来表示：

以及使得根据等式(28)的功率可选地可写成：

为了实验地获得声功率W，优选地使用矩形可调孔口22来将准直光束20的横截面限制到预定高度a，并选择沿着声波传播方向的宽度，所述宽度对应于声波的诸如整数的预定数量的极值，诸如声波的多个波长。

图5A示出了根据测试介质中的声波的频闪纹影图像的模拟的、图1的系统10中的孔口22的效果。图5B示出了超声焦点28的纹影图像，其中圆形孔口22用于选择性地照射超声焦点28。

由于声波的折射率调制，纹影图像使准直光束19、20所经历的偏转的空间轮廓可视化。明亮部分可使与压力梯度相关联的空间区域可视化，该空间区域使准直光束19、20偏转，而图像的暗部分可与引起准直光束19、20的可忽略的偏转的空间区域相关联。例如，不受声波影响的空间区域或其中折射率不改变的声场的空间区域(例如，声波的节点)可引起准直光束19、20的可忽略的偏转，并且可作为暗区域出现在纹影图像中。

在图5A中，由孔口22的尺寸d

优选地，选择孔口22的宽度d

原则上，可选择任何非整数宽度。然而，现象学常数K/L可能需要适应于宽度，以便精确地确定不对应于整数个极值的声功率。类似地，可选择不同的高度d

图6A、图6B示出了对于频率为1.7MHz的超声发射器的超声焦点28中的两个不同声功率的、在焦平面32中的光强度分布的数字化图像的示例，用准直激光束选择性地照射，所述准直激光束用矩形孔口22部分地阻挡。对应于图1的x和y方向，沿u和v方向的坐标系被覆盖在白色中。

在图6A中，超声发射器12的声功率在20W的声功率下相对较低，使得在超声焦点28中，声波基本上是谐波。光强度分布的特征在于基本上对称的椭圆形状，其沿着“u”方向用条纹图案调制。调制光强度分布的条纹图案可被认为是从沿着声波的传播方向的压力场的周期性和通过超声焦点28的偏转光束46的可变相位变化出现的衍射图案。

如图6A所示，光强度分布的空间范围可沿着u方向大于沿着v方向，因为由声波的相邻波峰和波谷引起的压力梯度通常可大于由超声焦点28沿着y方向的空间轮廓引起的压力梯度。

在图6B中，超声发射器12的声功率在声功率为210W时相对较高，使得在超声焦点28中，声波可偏离基本上谐波的轮廓，和/或使得冲击波可在超声焦点28附近发展。结果，图6B中的光强度分布偏离了基本上椭圆形的轮廓，并且相对于垂直方向是非对称的。

与图6A、图6B类似，图7示出了从焦平面32的数字化图像确定的、作为联接至测试介质的超声发射器12的声功率的函数的、沿u方向的光强度分布的方差(variance)

该曲线图示出了焦平面32中沿u方向的光强度分布的方差

图8示出了从利用与图7中相同的实验程序获得的焦平面32的数字化图像确定的沿v方向的变化的曲线图，但是其中根据等式(27)确定方差

与图7中的曲线图相反，声功率与沿着v方向的强度的变化之间的关系在高达200W的声功率下基本上保持线性。

可基于这样的观察来理解沿着空间方向u/v的方差对声功率的不同依赖性：沿着y方向的超声焦点的压力分布的形状可由衍射来支配，并且因此可仅可忽略地受到声波的出现的非调和性的影响。

图7和图8表明，该方法可用于基于焦平面32中的光强度分布的折射诱发宽度定量地评估超声发射器12的声功率。

对于相对较小的声功率，即，可假定声波基本上为谐波的声功率，由于通常沿u方向的光的较大偏转，沿u方向的方差

对于相对较高的声功率，例如在超声功率为100W的超声焦点28中，对于该声功率，谐波的假设可能是不精确的，沿着v方向的方差

因此，通过确定沿v方向的折射引起的“宽度”或“扩展”，该方法还可用于探测在超声焦点28中产生冲击波的超声发射器12的声功率，例如用于体外冲击波治疗中的质量控制。

本领域技术人员将理解的是，在一些实施方式中，可组合对沿u方向和v方向的变化的分析，以精确和稳健地确定声成像器12的声功率。

作为另一个示例，本领域技术人员将理解的是，可在傅立叶平面32的部分上，例如在相对于坐标平面的原点的半平面或四分之一平面上，评估沿着u方向和v方向的方差。如果可用的传感器阵列34太小而不能例如在焦平面32中记录整个傅立叶图像，则这可能是有利的。

作为另一个示例，本领域技术人员将理解的是，通过用光吸收片覆盖CMOS或CCD传感器阵列34的部分或中间傅立叶平面(例如，聚焦透镜30的焦平面32)，可产生用于光的部分孔口。盖可水平地或竖直地定向，以便以某种方式阻挡半平面，原点处的强度由小的重叠部分切断。如果原点的强度导致传感器过饱和，则这可能是有利的。然后，可对剩余的一半或四分之一平面的光强度进行方差的评估。类似的过程可用于以多个组合(未示出)将傅立叶平面上的光限制中的平面的象限。

本领域技术人员将认识到的是，在分析中可有效地忽略由声场的周期性引起的调制模式，例如，当使用变化作为焦平面32中的光强度分布的折射诱发宽度的测量时。因此，在一些实施方式中，光源14也可为非相干的。

另外，应注意，图5B至图6B中的图像是通过频闪探测焦平面32获得的，即，触发光源14以对应于超声发射器12的频率的频率发射光脉冲。然而，本领域技术人员将会理解的是，焦平面32可用连续光源14成像，而不影响基于沿u/v方向的光强度分布的变化来确定超声发射器12的声功率。

如进一步注意到的是，在图8中，作为声功率的函数的实验确定的沿v方向的变化的直线拟合不与曲线图的原点相交。然而，本领域技术人员将理解使得，在分析

图9示出了根据另一示例的用于校准超声发射器12的声功率的系统10。除了图1所示的系统10的元件之外，图9所示的系统10包括分束器54、刀刃件(knife edge)56和照相机58。分束器54布置在聚焦透镜30与二维图像传感器阵列34之间的光路中，使焦平面32成像。分束器54产生与第二焦平面60相关联的第二光束(如图9的示例中，或者可替换地，产生焦平面32的第二图像)。

刀刃件56布置在第二焦平面62中，空间滤除聚焦透镜30在第二焦平面60中的焦点。照相机58沿着第二光束的光路布置在刀刃件56的后面，并且可配置成使测试介质的探索部分成像。刀刃件56阻挡仅通过测试介质中的变化的折射率分布而可忽略地偏转的光，使得照相机58可用于获得声压场的纹影图像。本领域技术人员将理解的是，可同样地使用其它空间滤波器轮廓，例如以第二焦平面60中的焦点为中心的点形吸收器，或者可在焦平面32或其图像中布置可重新配置的空间滤波器(未示出)。例如，可重构空间滤波器可在第一配置与第二配置之间选择性地重构，在第一配置中，焦点被空间滤波以获得纹影图像，在第二配置中，基于焦平面32中的光强度分布定量地评估超声发射器12的声功率。附加地或替代地，还可确定部分遮挡的焦平面32的图像的方差，该焦平面32可被刀刃件56部分遮挡，用于例如通过确定焦平面32的非遮挡部分(例如焦平面32的半平面)的方差来确定超声发射器12的声功率。

照相机58拍摄的图像可显示在计算机屏幕36上，以便基于声波的选择性照射部分的可视化来调节可调节孔口22的位置和配置，例如以便用准直光束20选择性地照射测试介质的明确定义的探索部分。因此，使用分束器56可便于例如将系统10校准到不同的超声发射器12，而不会在光路中引入额外的移动部件。

应当注意的是，前面的描述是为了说明的目的而讨论的，而不应被解释为限制。本领域技术人员将特别理解的是，光强度分布的扩展可通过其它数学表达式来表示，并且可进一步用其它度量来定量地评估，所述度量可与光强度分布的变化成比例。

另外，虽然已经为球形超声焦点28导出了功率，但是该方法可应用于各种超声发射器几何形状，例如由相位控制以引起特定几何形状的声场的发射器阵列构成的球形或矩形超声发射器12，或者应用于平面波发射器等。

该方法可作为质量控制系统10的部分应用，其中超声发射器12可在预定位置放置在保持器中，并且该方法可在不对实验设置进行任何校准的情况下执行。例如，系统10可自动地确定焦平面32中的光强度分布的变化是否与目标值相匹配，或者是否在设定声功率的目标值周围的容差区间内。

优选实施方式的描述和附图仅用于说明本发明及其相关的有益效果，但不应理解为暗示任何限制。本发明的范围仅由所附权利要求确定。

附图标记的说明

10 系统

12 超声发射器

14 光源

16 针孔

18 准直透镜

19 孔口前准直光束

20 准直光束的透射部分

22 孔口

24 波束方向

26 容器

28 超声焦点

30 聚焦透镜

32 焦点平面

34 二维图像传感器阵列

36 电脑屏幕

38 控制系统

40 信号产生器

42 放大器

44 阻抗匹配电路

46 偏转光束

48 第一偏转光束

50 第二偏转光束

52 谐波声波

54 分束器

56 刀刃件

58 照相机

60 第二焦平面