Ultrasonics | 超透镜重构超声通过声学屏障的聚焦效果

文摘   2024-09-26 09:01   浙江  

2024.09.17. 香港理工大学研究团队Ultrasonics上发表文章 “Reconfigurable ultrasound focusing effect through acoustic barriers”,提出了一种通过声学屏障实现重构超声聚焦效果的逆优化方案,设计了新型声学超透镜,以增强超声波穿过障碍物的穿透和聚焦能力。



高强度聚焦超声(HIFU)在超声治疗或医学成像等应用中需要精确的焦点定位和足够的能量强度,但超声波在高阻抗波导(如致密材料)中的传输效率低,颅骨等致密层的阻抗不匹配导致超声反射强、能量损失大。

声学超材料可增强聚焦超声功率,但膜基超材料制备困难,现有金属材料超透镜通常只能在简单、均匀和平面目标中提供单个焦点,对通过硬组织如颅骨灵活控制HIFU的研究仍不足。

逆设计超透镜实现可重构增强聚焦:本研究使用半球形黄铜模型模拟人类颅骨,设计三维轴对称超透镜附在目标板一侧,通过遗传算法(GA)和有限元方法结合进行逆优化,以最大化设计焦点区域的超声强度为优化目标,确定超透镜的几何参数,从而实现具有可重构焦点的超声聚焦增强。

GA设计的超透镜方案

可重构聚焦效果的数值验证

可重构聚焦效果的实验验证


T形单元结构


数值和实验验证可重构聚焦效果:
  • 模拟不同焦距超透镜的声强场,对比有无超透镜时半球形板的强度分布,结果表明超透镜能提高超声传输效率并有效聚焦,实验测量结果与模拟相符,且超透镜使板的传输能量比裸板高十倍以上。

  • 引入T形单元结构设计超透镜可减少球差,实现能量聚焦和消除像差。

  • 通过调整超透镜中每个矩形元素的高度,可以控制焦距,实现超透镜的可重构性。


通过非均匀厚度声学屏障的聚焦效果:设计针对三个非均匀板的超透镜,模拟和实验结果表明,该超透镜设计方案能使超声波通过任意厚度的致密板并实现聚焦增强

本研究提出设计超透镜的逆优化方案,使焦点处的能量比无超透镜时高十倍以上,可通过调整超透镜元素高度灵活控制焦点位置,且该方案能解决通过复杂屏障增强传输的挑战,可设计能使超声波通过任意厚度致密板的超透镜,具有在经颅超声聚焦和成像中的应用潜力。



文章链接
https://doi.org/10.1016/j.ultras.2024.107470



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