复频聚焦超声换能器声场研究

　　利用超声能量激活血卟啉(简称Hp)及其衍生物(简称HpD)来产生抗肿瘤效应的方法被称为声动力学疗法[1,2](简称SDT).其中血卟啉是一种有机光敏剂,它具有在肿瘤组织中选择性聚积并较长时间潴留的特点.液体在较强超声作用下发生的空化能引起声化学效应,从而激活血卟啉产生单线态氧[3,4].单线态氧具有强氧化性,能与组织发生反应,氧化肿瘤组织并抑制或杀死肿瘤.在SDT过程中,需要将超声能量聚集到人体内肿瘤部位,使肿瘤所在处的Hp被声能激活以便杀死肿瘤组织,抑制肿瘤生长.因此,设计和研究能实现超声聚焦的换能器具有现实意义.沈壮志、尚志远等人研究了双低频超声叠加产生的声空化现象[5],表明两种不同频率超声叠加能增强声空化效应,增加声化学产额.为了更有效地用超声激活Hp,作者设计一种能实现复频超声叠加的自聚焦换能器,并对其声场特性进行分析,为后期进行肿瘤细胞离体和活体的抗肿瘤效应实验研究奠定基础.

　　1 复频聚焦超声换能器

　　利用球壳辐射器是实现自聚焦常用的方法.为达到复频聚焦,作者将一个半球面压电圆环和一个半球面状小压电片用环氧树脂粘贴在一起,构成一个球形碗状自聚焦型换能器,并将其固定在尼龙作成的柱体外壳上,结构如图1a所示.内置的小压电片直径为1510mm,曲率半径为6510mm,厚度为3.9mm,频率为0.5MHz;外面压电圆环内径为1810mm,外径为23.4mm,曲率半径为6510mm,厚度为1.7mm,频率为0.7MHz.分别以相应电源频率激励,在焦区附近可获得一个复频能量聚焦区域,用来研究复频聚焦超声激活血卟啉对离体细胞抗肿瘤效应的影响.换能器聚焦原理如图1b所示.

　　2 轴向声场的理论计算

　　利用瑞利公式可导出球面聚焦换能器近场的声压分布.对于换能器1的轴向声场计算,由文献[6],有

　　式中ρ0为介质密度;k为波数;c0为介质中的声速;v0为质点振动速度幅值;,其中R为曲率半径,x为轴向距离,a为换能器径向尺寸.

　　上式表示凹球面辐射器沿轴向的声压分布.为简化理论推导,换能器2的声场可以等效为同一结构、同一频率且直径分别为23.4mm和1810mm的两个换能器声场之差.由换能器1和换能器2的声场叠加可求得复合换能器的声场特性.将换能器1(小压电片)和换能器2(球环)各参数分别代入上式,并用Mathe软件处理,叠加后得复合场轴向声压分布如图2.

　　由于球面曲率半径较大,该复频聚焦换能器在其焦平面的声场分布近似于圆片活塞形发射声场的指向性,忽略其高阶项影响,其焦平面声场分布如图3所示[6].

　　3 声场测定

　　实验装置如图4所示,其中高频信号源为XFG-7型高频信号发生器,可产生100kHz~30MHz的信号;功率放大器为2100L型宽带功率放大器;示波器为OS-3060D型数字存储示波器,通过窜口与计算机连接,将信号波形直接打印或保存.实验水槽具有精密三维定位系统,内侧装有吸声尖劈,内装静置的除气水.水槽尺寸为20cmx80cmx75cm.实验中用微型水听器进行声场测定,并用TF2370型频谱分析仪测量声场频率成分.水听器能将接收到的声波转换为电压信号,在示波器上显示.