具有高度自由度的声束整形对于超声成像、声学调节和刺激至关重要。完全调节相对于其传播路径的声压分布的能力仍有待实现。
在《科学进展》杂志上发表的一篇新报告中，美国麻省总医院放射学的Yuyang Gu和一组科学家描述了一种声学抗衍射自适应剖面技术，该技术可以产生具有所需剖面的传播不变光束。
为了实现这一目标，他们利用波数和波束复用来开发一个通用框架，并创建了一个具有线性阵列超声换能器的高度柔性波束。所设计的声波束通过补偿衰减在材料中保持波束轮廓。
科学家们表示，剪切波弹性成像是一种重要的方式，可以从评估组织力学性能的方法中获益。总之，这项技术克服了现有的声束整形的限制，适用于各种应用，包括医学、生物学和材料科学。
对形成理想声束的兴趣在生物医学成像，传感和粒子操作方面具有广泛的应用。这种声束方法受到控制波传播的基本物理学的启发，有利于包括生物学和生物医学工程在内的多学科领域。
迄今为止，研究人员一直在考虑一类称为传播不变或非衍射光束的声波束。经典的传播不变波束包括贝塞尔波束、艾里波束、马修波束和韦伯波束;每种都具有独特的功能，在光学研究中有广泛的应用。
例子包括光学镊子、超分辨率成像和纳米级材料加工。贝塞尔声波束适用于通信和声镊，其中声airy波束可以有效地绕过波传播路径中的任何障碍物。
在这项工作中，Gu及其同事描述了一种产生传播不变声束的广义框架，称为声学抗衍射自适应剖面技术(ADAPT)，以实现任意纵向压力分布。科学家们首先引入了叠加贝塞尔光束的基本概念，用线性阵列换能器实现了光束整形。
当……常规聚焦光束0该方法仅在光束焦深处提供有限的有效成像区域，产生具有用户定义的感兴趣区域的光束，以获得更高精度的扩展成像区域。
有两种行之有效的方法来塑造声束。一种方法旨在通过结合预定义的单焦点位置和声源信息来经典地塑造聚焦光束。另一种方法是将已知的包括贝塞尔函数在内的压力或相位分布函数直接映射到声源中的每个像素。这两种方法都适用于调节光束的纵向声学分布。
本文介绍的ADAPT方法(声学抗衍射自适应剖面技术)结合了这两种方法，将预定义的声波束分离成具有不同波数和系数的多个贝塞尔波束。基于adaptive的波束的原理图包括一个随机的三段高压区域，该高压区域被定义为“孤立的”传播不变模式。
一组贝塞尔光束形成了最终光束，因此非衍射光束通过波干涉显着降低了所需高压区域外的压力。通过将波束分离成多个加权贝塞尔波束，Gu和团队插值每个像素或单元的振幅和相位分布，以相干地总结应用于声换能器的最终振幅和相位。
该团队展示了ADAPT-ba如何Sed光束轮廓可以灵活地拉伸、压缩或分割，以在不同的轴向位置产生声光束。
研究小组发现，通过使用单个多元素声波同时产生必要的贝塞尔波束是一项挑战。与使用多个透镜和掩模组合产生的传播不变激光束不同，声传播不变波保持较窄的空间频率带宽，这与有限的空间调制能力相对应。因此，Gu和团队使用多路复用方法来生成具有所需特征的基于adaptive的波束。
在其作用机制中，科学家们利用换能器的总频谱带宽同时产生具有不同波数的多个声波束，从而使波束与阵列元件尺寸的横向空间频率要求最高。
频率、基音和单元尺寸影响了横波数和轴波数，从而影响声波束的空间带宽。较高的频率产生较窄的波束，分辨率增加，穿透深度有限，较低的频率产生较宽的波束，穿透增加，但分辨率较低。Gu和他的同事们调整了间距和元件的大小来调节空间分辨率，以实现更大范围的光束产生可能性。
当声波在材料内部传播时，会产生声辐射力。这种辐射力与声波在介质中传播的动量变化率成正比。
Gu和他的团队展示了声波波束的脉冲激励如何诱导瞬时横向传播的剪切波，其形状取决于波束的几何形状。横波速度与横波速度成正比由于介质的弹性特性，使研究人员能够用Veraso在模拟组织的幻影中进行实验网卡研究扫描器。该团队调节了具体的输入参数，包括梁的中心位置和长度，以实现所需的线形轮廓。
通过这种方式，顾玉阳和他的同事们描述了一种被称为声学抗衍射自适应剖面技术(ADAPT)的方法，以产生传播不变的声波束。这样的波束可以通过使用贝塞尔波束复用的单一线性阵列换能器产生。
该方法提供了高度的自由度来调节纵向声能，并在各种应用中优化了该方法。基于adapd的波束的非衍射特性允许声衰减和材料中的衍射，使声波束在传播过程中有效地保持所需的轮廓。
Gu和同事们建议引入各种附加功能，以增加其应用，包括适用于医学成像、声纳和声学镊子的剪切波弹性。
?2023 Science X Network
