论文部分内容阅读
声波在球腔内传播时,当球腔直径是声波波长的整数倍n（n为非零的自然数）时,声波在球腔内产生谐振,并形成球形驻波声场,此时的球腔即为声谐振腔。根据n的数值不同,球形谐振腔会产生不同的谐振状态:基频激励下的谐振（n=1）和高阶谐振频率激励下的谐振（n>1）。不同的谐振频率激励时,谐振腔会出现不同的声学现象:基频下的单波声场和单泡声致发光现象,高阶谐振频率下的高能焦域声场和多泡声致发光现象。为了研究不同谐振状态下球形谐振腔驻波声场中声学变化及内在关联,本文采用理论模拟和实验研究相结合的方法,1.研究了基频下球形谐振腔内的声场和不同谐振腔直径、不同环境温度下的声致发光现象;2.研究了高阶谐振频率下球形谐振腔内的驻波声场和不同环境静水压力下的声致发光;3.研究了不同环境静水压力下高阶谐振频率激励的球形谐振腔焦域处的空化以及生物学效应变化。目的1.明确基频和高阶谐振频率两种激励模式下谐振腔内声致发光的发光机制和内在联系;2.明确球形驻波聚焦声场的形成,认识球形驻波聚焦的原理;3.明确环境静水压力对高阶谐振频率激励的球形聚焦超声辐照生物组织所致损伤的影响及其机制。材料和方法1.基频下球形谐振腔内声场和声致发光的研究理论部分采用有限元分析软件Comsol Multiphysics对基频6.996kHz、直径230mm球形谐振腔的声场进行仿真计算;实验部分采用信号发生器产生频率6.996kHz的正弦波信号,经功率放大器放大后激励直径230mm的球形谐振腔,光谱仪采集2℃、5℃、10℃、15℃、20℃五个环境温度下声致发光的光谱,研究环境温度对声致发光的影响;然后将频率12.094kHz、6.996kHz、3.689kHz的正弦波信号净功率放大器放大后分别激励直径130mm、230mm、460mm的球形谐振腔并采集光谱,比较不同直径谐振腔内的声致发光。2.高阶谐振频率下球形驻波声场和声致发光的研究理论部分采用有限元分析软件Comsol Multiphysics对高阶谐振频率654.3kHz、直径230mm球形谐振腔的声场进行仿真计算;实验部分采用光学纹影成像系统和光纤水听器对高阶谐振频率650.3kHz,直径230mm,开口直径100mm,高度200mm的球腔聚焦超声换能器的声场进行观测。然后对0.1MPa、1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa和10MPa十一个环境静水压力下的声致发光图像及光谱进行采集,分析环境静水压力对声致发光的影响。3.环境静水压力对高阶谐振频率下球形谐振腔中生物学效应影响的研究采用光纤水听器测量常压、2MPa、4MPa、6MPa、8MPa和10MPa环境静压力下不同驱动功率下的焦点声压,得到空化阈值随环境静水压力变化的曲线;采用2000V的电压,654kHz的频率激励开口直径100mm,高度200mm,直径230mm的球腔聚焦超声换能器,并用高速摄影系统拍摄常压、0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa和2.0MPa环境静水压力下的焦点处空化云情况以及辐照前、辐照40 ms、80 ms、120 ms、200 ms、2000 ms后的仿组织体膜内的损伤变化;然后采用1000W的电功率,5s的辐照时间在常压、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa和2.5MPa六个环境静压力下辐照离体牛肝组织,对损伤截面积进行测量及统计分析。结果1.基频（6.996kHz）激励下的直径230mm的球形谐振腔声场-6dB焦域大小为127.66mm×127.66mm（0.6λ×0.6λ）,-6dB区域内的声压基本保持不变,通过外界引入气泡产生单泡声致发光;随着环境温度的逐渐降低,基频声致发光光谱峰值波长逐渐蓝移,峰值波长与环境温度的关系为:ml=-0.1T2+4.04T+290,确定系数R2=0.99984;随着球形谐振腔直径的减小,即随着激励频率（基频）的增加,声致发光的光谱峰值波长逐渐蓝移。2.直径230mm的球腔在高阶谐振频率驱动下有强烈的频率依赖特性,谐振频率间隔分布约等于6.5kHz,即c/D（c为水中的声速,D为球形谐振腔的直径）。高阶谐振频率650.3kHz下球形驻波聚焦声场建立过程中,声波会随着时间的增加向球心汇聚,焦点声压逐渐增加,声场在空间上始终呈中心对称分布。高阶谐振频率驱动650.3kHz下的-6dB焦域大小约为1.34mm×2.23mm,即0.6λ×0.9λ;高阶谐振频率650.3kHz下的声致发光光强随着环境静水压力的增加而逐渐增加,声致发光光强与环境静水压力的关系为:I=153.6P2stat-105.9Psta t,确定系数R2=0.98027。3.空化阈值和环境静水压力呈线性关系,关系式为“Pcav（空化阈值）=11.043×Pstat（环境静水压力）+31.226”,确定系数为98.12%。可见环境静水压力的提升可以提高空化阈值,从而抑制空化。球腔聚焦换能器在1000W电功率激励下产生的超声辐照离体牛肝组织时发现,当环境静水压力增加到完全抑制空化时,即环境静压力大于2MPa,等于2.5MPa时,离体牛肝组织中损伤明显减小。另外也发现适当增加环境静水压力,即环境静压力等于0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa时,组织中的空化未被完全抑制,反而增大HIFU辐照离体牛肝组织中的损伤。结论1.基频下的单泡声致发光和高阶谐振频率下的多泡声致发光具有相同的发光机理。2.球腔聚焦超声换能器在高阶谐振频率下的球形驻波声场内有强烈的频率依赖特性,并且会形成亚波长焦域,这为HIFU精准治疗提供了理论基础。3.由于沸腾泡和空化效应的共同作用,适当增加环境静水压力会增强靶区组织的损伤;而当环境静水压力增加到完全抑制空化时,靶区组织损伤明显减小。