Page 79 - 《应用声学》2021年第3期

第 40 卷 第 3 期 张帅等： 时间反演聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究 397

图 13(a) 为仿真模式下使用时间反演法得到的阵元 1.0
Ԧ໦ᐑཥ
中心处纵向截面声场分布图，焦域纵向分辨率约为 ᄱ଍ᐑཥ
0.8
21.3 mm，横向分辨率约为1.5 mm。图13(b)为聚焦 ͌ᄾԦ໦
实验中计算机屏幕显示的 GUI 控制界面，其中，弧 0.6
形区域为颅骨轮廓，图中的一个亮斑即为水听器尖 ॆʷӑܦԍ 0.4
端，移动水听器，使示波器显示的电压值最大，即可
视为聚焦区域的中心点，此外在探头发射声波聚焦 0.2
的过程中不考虑剪切波的影响 [26] 。
0
N=64 l=18.9 mm -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
z/mm
h/14 mm Fig. 14 Sound field comparison of two focusing
图 14
两种聚焦方式声场对比

methods
d/0.3 mm a/0.25 mm
1.0
图 12 探头组成示意图
0.9 ႃڤ
Fig. 12 Schematic diagram of probe composition ܦڤ
0.8
0.7
40
30 ॆʷӑूए 0.6
ᮖᰤ 0.5
20
y/mm 10 0.4
ඵզ٨ 0.3
0 0.2
-10 0.1
20 25 30 35 40 45 50 55 60
-20 -10 0 10 20 -20 -10 0 10 20
x/mm x/mm ཥᡰ/mm
(a) ӭགᐑཥ (b) ࠄᰎႍ᭧
图 15 电场与声场分布
图 13 单点聚焦和实验界面 Fig. 15 Electric field and sound field distribution
Fig. 13 Single point focus and experimental interface
为了便于进行比较，将水听器经前置放大器连
图14中实线为仿真模式下y 轴等于0 mm处横
接到数字示波器显示界面的波形 (图 16) 记录下来，
向归一化声压图，由图 14 可见声压最大值位于 z
得到时域响应图，并将实验数据导入到Matlab设置
轴 0 mm 处，基本没有发生焦点偏移现象，两种聚
采样频率进行频谱分析，图 17(a) 为超声信号频谱
焦方式出现声压峰值的位置不同，反演聚焦时在
分析图，横轴为频率，纵轴表示能量大小；同理将导
z = 0 mm 处达到峰值，相控聚焦则在 z = −1 mm
处达到峰值，而用时间反演法根据各采样点绘制的 电凝胶两端的电流连接示波器显示波形并记录，利
归一化声压图与仿真模式下绘制的声压图分布大 用 Matlab 进行频谱分析，得到图 17(b) 的电流信号
致相似，相关系数为 0.823，证明了时间反演法能够 的频谱分析图。电流波形频谱分析要比超声波形的
解决焦点偏移现象，实现精准聚焦。 频谱分析效果要好，这是因为测量超声时噪声影响
将实验检测到的声场与电场数据归一化处理 较大，使得采集到的信号频带较宽，但仍可得到大部
并绘制如图 15所示的归一化强度图，两条曲线分布 分集中在 1 MHz 左右，而测量电流信号时导电凝胶
基本重合，随着焦距的增加，声压和电场的强度均有 杂质较少，使得信号较为纯净，相对频带窄得多，超
所增强，并在 40 mm 处达到峰值，焦距超过 40 mm 声基波频率为 1 MHz，所测得的电流信号是频率为
后，强度均有所下降。通过计算得到两条曲线的相 1 MHz 的交流信号。两种波形频谱分析得到的中心
关系数为 0.913，据此可得，换能器声场和磁声耦合 频率一致的结论，可证明磁场和声场耦合确实可以
产生的感应电场分布具有较高的一致性。 产生电流进行刺激。