摘要：Ghanem MA, Maxwell AD, Kreider W, Cunitz BW, Khokhlova VA, Sapozhnikov OA, Bailey MR. Field Characterization and Compensation of V
Ghanem MA, Maxwell AD, Kreider W, Cunitz BW, Khokhlova VA, Sapozhnikov OA, Bailey MR. Field Characterization and Compensation of Vibrational Nonuniformity for a 256-Element Focused Ultrasound Phased Array. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 2018 Sep;65(9):1618-1630. doi: 10.1109/TUFFC.2018.2851188. Epub 2018 Jun 27. PMID: 29994675; PMCID: PMC6344030.
多元件聚焦超声相控阵已广泛应用于治疗大体积组织，通过电子控制焦点瞄准多个区域并校正组织路径引起的像差。本研究旨在表征1.5 MHz下256元件阵列的振动，实施补偿策略，并测试生成涡旋光束的能力。通过水中逐个元件测量和全息测量表征阵列输出，量化每个元件输出以均衡功率。两种补偿策略生成的涡旋光束与理想化阵列场的瑞利积分模拟比较显示，基于全息测量的补偿误差较小。
多元件聚焦超声相控阵技术已被用于治疗大体积组织，通过电子控制焦点以同时瞄准多个区域并校正组织路径引起的像差。该技术的一个新兴应用是无创重新定位尿路结石以促进清除。涡旋束具有零中心压力和环形声束形状，能拉动、推动或捕获物体。涡旋束的生成依赖于换能器声轴周围的极角线性变化和最大相位延迟。我们的目标是使用相控阵换能器再现涡旋束，尽管存在有限元尺寸的挑战。成功的非均匀性表征和补偿将为合成特定光束形状捕获和操纵尿结石等物体提供基础。
表征聚焦阵列的三种方法包括：1) 逐个元件测量，通过激励每个元件并测量幅度和相位差来应用相位校正，提高焦点强度和测试转向能力；2) 时间逆转法，利用声信号反射校正相位畸变和不均匀衰减；3) 现场多位置逐个元素测量，使用伪逆方法确定阵列激励矢量，以最大化焦点强度并产生多个焦点。本文提出一种新方法，根据需要调整每个元件的振动幅度和相位，以生成精确且均匀的复杂二维光束形状。
使用声全息术和逐元素方法量化复杂输出。声全息术通过2D扫描测量阵列激励场，并重建换能器表面或3D空间中的场。涡旋光束全息反向传播研究了未聚焦涡旋光束的演变，揭示了电源瞬态响应引起的元件间相位差，导致焦点强度降低20-30%。逐元素方法受限于假设均匀振动和固定孔径，无法解释不均匀振动或有效尺寸差异，影响方向性和二维场合成，且无法捕获串扰影响。
研究目标：优化1.5 MHz 256元件换能器阵列，通过补偿元件间的相位和幅度差异，提升阵列生成均匀涡旋光束的性能。首先，实现传感器与Verasonics数据采集系统(VDAS)的电气匹配以提高电力传输效率。接着，通过逐个元件和全息测量量化输出，并开发方法识别元件性能特征。基于这些测量，实施补偿策略以均衡相位和幅度。最后，通过涡旋光束均匀性评估补偿策略的效果。
研究使用的换能器由法国Imasonic, SAS制造，为压电复合材料阵列。该阵列具有120毫米球面曲率半径和160毫米机械孔径，147毫米主动声孔径，中心开口直径40毫米。包含256个7毫米直径的压电元件，排列成16个螺旋，每个螺旋16个元件，间隙0.5毫米。换能器在1.5 MHz频率下与水声学匹配，工作频率1.2-1.8 MHz，效率超63%。
该研究中总共进行了四项实验，换能器工作频率为 1.5 MHz：1）逐个元件测量阵列的声学特性和元件输出的均衡；2）全息测量以获得可比较的声学特性；3) 辐射力平衡 (RFB) 测量 [ 33] 独立量化阵列的功率输出；4）二维水听器扫描测量补偿前后涡旋光束形状的均匀性。所有实验均在脱气去离子水箱中进行。除 RFB 实验外，所有测量均使用胶囊水听器（带有 AH-2020 前置放大器的 HGL-0200，Onda Corporation，Sunnyvale，CA）。根据制造商的校准，1.5 MHz 下的集成水听器灵敏度为 416 mV/MPa。单独测量 1.5 MHz 的水听器方向性，并用于提供修正以提高精度。使用基于步进电机和线性滑轨的 3D 定位器系统控制水听器位置，每步分辨率小于 10 μm（Velmex Inc，Bloomfield，NY）。
使用函数发生器（型号 3500B，Keysight Technologies, Inc.，Englewood，CO）触发 VDAS 并同步示波器或数字化仪上的数据采集。对于全息扫描，使用 14 位数字化仪板（Razor 14，DynamicSignals LLC，Lockport IL 的 Gage）记录水听器信号；对于其他实验，使用数字示波器（型号 3034A，Agilent Technologies Inc，Santa Clara，CA）记录水听器测量结果。
在开放式水浴中，在直径为 1.6 cm 的 1.5 MHz 扁平压电源的远场中，以 40° 的角度测量水听器的角度灵敏度响应。通过绕其轴旋转水听器并针对每个角度重复测量两次，沿四个不同的方位角测量响应。然后取每个角度的这些测量值的平均值以产生图2所示的角度响应曲线。基于微小的变化，假设曲线是轴对称的。本文的声学特性部分报告了水听器角度响应补偿后的各种声输出和效率测量结果，同时在讨论中报告了与补偿前的值的比较。
在使用测量的全息图重建换能器表面上的振动之前，对水听器和换能器坐标之间的未对准进行校正。通过向前投影到远离阵列的焦平面，发现声束轴与3D 定位器z轴对准的不确定性。焦点似乎位于 (0.15, -0.25) mm，而不是 (0, 0)。使用传播距离上与原点的偏移 (δ z = 40.0 mm)，发现轴之间的不对中角度为 0.42°。校正角度失准并反投影到阵列表面后，获得了更均匀的相位分布（图 4））。这种未对准仅影响表面相位分布，对振幅没有明显影响。
图 4.
校正阵列和全息坐标未对准之前（左）和之后（右）反投影到换能器表面上的相位分布（弧度）。在校正之前，观察到轻微的未对准是阵列表面上从上到下变化的不均匀相位分布。
本研究对 256 元件阵列系统进行了表征。元件输出被均衡，并证明了产生均匀涡流束的能力，该涡流束可能用于肾结石的声学处理。通过执行逐个元件和全息测量，成功地表征了相控阵的声输出。采用逐阵元法求出各阵元的有效压力幅值和相对相位延迟。据我们所知，第一次将每个元件的输出定位在换能器表面的全息重建中，归因于局部元件的相应功率等于总辐射功率的 97.5%。输出成功均衡，在焦平面上产生均匀的涡旋光束。光束强度分布均匀性的测量表明，基于全息术的均衡优于基于逐个元件测量的均衡。虽然一些不理想的行为仍然存在，但该系统足以准确地产生涡旋光束。这种方法为未来合成更复杂的二维光束以进行声学操纵铺平了道路。
来源：医学镜界一点号
