超聲針灸相控陣聲場(chǎng)及控制模式研究

劉曉曉，王歡，劉春澤，許小芳，周紅生

超聲針灸相控陣聲場(chǎng)及控制模式研究

劉曉曉1,2，王歡1，劉春澤1，許小芳1，周紅生1

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

超聲“針灸”是利用二維相控陣實(shí)現(xiàn)聲能在皮下不同深度的聚焦，刺激特定穴位，從而模擬傳統(tǒng)針灸手法的治療技術(shù)。對(duì)設(shè)計(jì)的超聲針灸相控陣在不同聚焦深度下的垂直聚焦聲場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)聲場(chǎng)進(jìn)行仿真，并對(duì)焦域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，明確了所設(shè)計(jì)的相控陣探頭延時(shí)聚焦聲場(chǎng)可以滿足超聲“針灸”的“針形”聲場(chǎng)要求。基于聲場(chǎng)仿真，還對(duì)超聲“針灸”聲場(chǎng)控制模式進(jìn)行了仿真研究，研究結(jié)果表明：控制超聲相控陣聚焦聲場(chǎng)聚焦位置的上下移動(dòng)以及偏轉(zhuǎn)聚焦，可以模擬傳統(tǒng)針灸的提、插以及進(jìn)針角度的變化，為超聲“針灸”進(jìn)一步模擬傳統(tǒng)針灸手法提供了理論依據(jù)。

超聲“針灸”；相控陣；聲場(chǎng)；控制模式

0 引言

頻率大于20 kHz的超聲波，具有較強(qiáng)的穿透性和指向性，其獨(dú)特的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、生物效應(yīng)，使得它可以被廣泛應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]。在中醫(yī)醫(yī)療領(lǐng)域，超聲技術(shù)與針灸療法相結(jié)合產(chǎn)生了一種傳統(tǒng)針灸的創(chuàng)新應(yīng)用——超聲“針灸”，它利用超聲波透過皮膚以后在皮下匯聚產(chǎn)生的聲能對(duì)特定穴位進(jìn)行刺激，運(yùn)用聲能、熱能作為刺激手段，使機(jī)體產(chǎn)生相應(yīng)的超聲生物效應(yīng)，研究表明：其配合常規(guī)方法治療冠心病、心絞痛、急性缺血性腦卒中等疾病效果顯著[2-4]。

目前，單個(gè)元件通過物理方式實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)聚焦的超聲“針灸”，因其聚焦區(qū)域小、焦域模式調(diào)節(jié)單一，不具備靈活針刺手法的條件；而超聲相控陣可通過電子控制產(chǎn)生不同特性的焦域，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲束形狀和聲壓分布的控制，為超聲“針灸”準(zhǔn)確模擬傳統(tǒng)針刺手法提供實(shí)現(xiàn)的可能。李欣悅等[5]對(duì)超聲針灸進(jìn)行研究探索，利用凹球殼環(huán)形陣列換能器實(shí)現(xiàn)了超聲針灸的“針形”聲場(chǎng)，并對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，使聲壓焦域長(zhǎng)度增加至42 mm，聲場(chǎng)分布均勻且集中，但未對(duì)“針”的進(jìn)針角度及輸出聲能進(jìn)行研究。

本文對(duì)設(shè)計(jì)的超聲針灸相控陣聚焦聲場(chǎng)進(jìn)行仿真，對(duì)比分析了不同聚焦深度下的聚焦聲場(chǎng)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的相控陣產(chǎn)生的聚焦聲場(chǎng)可以滿足超聲針灸的“針形”聲場(chǎng)需求，并對(duì)相控陣動(dòng)態(tài)聚焦控制模式進(jìn)行仿真，理論驗(yàn)證了控制超聲相控陣垂直聚焦聲場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)聚焦聲場(chǎng)的位置移動(dòng)來(lái)模擬傳統(tǒng)針灸提、插手法以及進(jìn)針角度變化的可行性。

1 相控陣聲場(chǎng)計(jì)算理論

1.1 聲場(chǎng)理論

各種換能器的輻射聲場(chǎng)均可由亥姆霍茲-基爾霍夫積分原理來(lái)計(jì)算，因?yàn)檫@一定理能用任意封閉曲面上的“邊值”，表示曲面內(nèi)任一點(diǎn)的場(chǎng)值，基爾霍夫積分的一般形式為[6]

對(duì)于嵌在無(wú)限大障板上作單面輻射的換能器，基爾霍夫積分形式為[7]

因此，嵌于無(wú)限大障板上做勻速振動(dòng)的單面輻射換能器輻射聲場(chǎng)中任一點(diǎn)的聲壓值為

超聲換能器陣由多個(gè)換能器陣元按照一定的形狀、尺寸、數(shù)量排列而成。每個(gè)陣元按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的方案延遲一定時(shí)間發(fā)射聲波。根據(jù)惠更斯原理，各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，從而形成發(fā)射聚焦或聲束偏轉(zhuǎn)的效果。

1.2 相控陣延時(shí)聚焦原理

相控陣延時(shí)聚焦，是根據(jù)各個(gè)陣元與聚焦位置的聲程差確定各陣元發(fā)射聲波信號(hào)的延時(shí)，距離聚焦點(diǎn)遠(yuǎn)的陣元先發(fā)射聲波，距聚焦點(diǎn)近的后發(fā)射聲波，使各陣元發(fā)射的聲波信號(hào)同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)，在焦點(diǎn)處同相疊加，聲場(chǎng)幅值達(dá)到最大，形成聚焦聲場(chǎng)[10]。

由于相控聚焦要求各陣元發(fā)射聲波的信號(hào)同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)，因此各陣元的相控延遲時(shí)間為

所以，相控陣延時(shí)聚焦聲場(chǎng)中某一點(diǎn)處的聲壓為

圖1 二維相控面陣示意圖

2 相控陣聲場(chǎng)及控制模式仿真

超聲“針灸”模擬傳統(tǒng)針刺手法，要求相控陣聚焦聲場(chǎng)的焦域形態(tài)呈傳統(tǒng)毫針的細(xì)小“針”形，溫度升高不能對(duì)人體造成損傷，根據(jù)超聲治療的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，輸出聲強(qiáng)范圍應(yīng)在3 W·cm-2之內(nèi)[12]，確保足夠的安全。因此，還需要對(duì)設(shè)計(jì)的相控陣聲場(chǎng)和控制算法進(jìn)行仿真，以確認(rèn)聚焦聲場(chǎng)是否滿足超聲針灸聲場(chǎng)特性的要求。

2.1 二維相控陣聚焦聲場(chǎng)仿真

依據(jù)超聲換能器聲場(chǎng)計(jì)算理論，對(duì)相控陣的垂直聚焦聲場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)聚焦聲場(chǎng)進(jìn)行仿真[13-14]。相控陣及介質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 二維面陣及介質(zhì)參數(shù)

垂直聚焦聲場(chǎng)仿真結(jié)果如圖2所示，圖2(a)、2(b)、2(c)分別為聚焦深度15、20、30 mm，即位置分別為(0,0,15 mm)、(0,0,20 mm)、(0,0,30 mm)的聚焦聲場(chǎng)，左側(cè)為仿真計(jì)算的聲場(chǎng)分布，右側(cè)圖為-3 dB聚焦體，圖2(d)為不同聚焦深度的軸向(深度方向)聲強(qiáng)分布，從2(d)中可以看出，垂直聚焦聲場(chǎng)的軸向長(zhǎng)度隨聚焦深度增加而增大。其中，聚焦體定義為比聚焦區(qū)域最大聲強(qiáng)低3 dB的長(zhǎng)方體[15]。

偏轉(zhuǎn)聚焦聲場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3所示。圖3(a)、3(b)分別是偏轉(zhuǎn)角度26.6°、聚焦位置為(5 mm,0,10 mm)，偏轉(zhuǎn)角度14°、聚焦位置為(5 mm,0,20 mm))的聚焦聲場(chǎng)。左側(cè)為仿真計(jì)算的聲場(chǎng)分布，右側(cè)圖為-3 dB聚焦體，圖3(c)為14°偏轉(zhuǎn)方向不同聚焦聲場(chǎng)在偏轉(zhuǎn)方向的聲強(qiáng)分布。

圖2 垂直聚焦聲場(chǎng)仿真結(jié)果

表2給出了不同聚焦深度下的聚焦情況。

以上仿真結(jié)果可以看出，相控陣延時(shí)聚焦聲場(chǎng)呈紡錘體分布，聲場(chǎng)的縱向長(zhǎng)度隨聚焦深度的增加而增加，但仿真聚焦深度與預(yù)設(shè)聚焦深度有所偏差。圖4所示為垂直聚焦時(shí)，仿真聚焦深度與預(yù)設(shè)聚焦深度的絕對(duì)誤差直方圖。在聚焦深度為10～25 mm范圍內(nèi)絕對(duì)誤差小于0.5 mm，且隨著聚焦深度增加，絕對(duì)誤差增大。

圖3 偏轉(zhuǎn)聚焦聲場(chǎng)仿真結(jié)果

表2 不同聚焦深度的聚焦信息表

圖4 垂直聚焦的仿真計(jì)算深度與預(yù)設(shè)聚焦深度絕對(duì)誤差

表3為14°偏轉(zhuǎn)的預(yù)設(shè)聚焦位置與仿真計(jì)算聚焦位置的對(duì)比結(jié)果，從表中可以看出其仿真聚焦位置與預(yù)設(shè)聚焦位置的坐標(biāo)絕對(duì)誤差小于0.2 mm，坐標(biāo)絕對(duì)誤差小于1 mm。

表3 對(duì)14°偏轉(zhuǎn)的預(yù)設(shè)聚焦位置與計(jì)算聚焦位置對(duì)比表

綜上所述，相控陣探頭延時(shí)聚焦的聲場(chǎng)分布較為集中，呈“紡錘”狀，垂直聚焦和偏轉(zhuǎn)聚焦的仿真計(jì)算聚焦位置與預(yù)設(shè)聚焦位置誤差較小，聚焦聲場(chǎng)橫向直徑小于0.8 mm，基本可以滿足超聲針灸的“針形”聲場(chǎng)要求。

2.2 聲場(chǎng)控制模式仿真

在臨床治療中，醫(yī)者會(huì)根據(jù)病癥的表、里、寒、熱等情況和穴位深淺，采用不同的針刺手法，如提、插、捻、轉(zhuǎn)以及進(jìn)針角度變化[16]。通過研究，我們發(fā)現(xiàn)：可以控制超聲“針灸”相控陣的垂直聚焦聲場(chǎng)上下移動(dòng)來(lái)模擬傳統(tǒng)針灸的提、插手法；利用相控陣偏轉(zhuǎn)聚焦，控制偏轉(zhuǎn)聚焦深度來(lái)模擬傳統(tǒng)針灸的進(jìn)針角度的變化，從而刺激穴位，達(dá)到“針刺”穴位的效果。相控陣聚焦聲場(chǎng)模擬傳統(tǒng)針刺手法示意圖如圖5所示。

圖5 相控陣聚焦聲場(chǎng)模擬傳統(tǒng)針刺手法示意圖

2.2.1 垂直方向控制焦斑移動(dòng)

通過控制垂直聚焦焦斑上下移動(dòng)，來(lái)模擬傳統(tǒng)針灸的提、插。

(1) 假定初始焦點(diǎn)位置為(0,0,20 mm)，逐漸上移焦點(diǎn)位置至(0,0,10 mm)，模擬傳統(tǒng)針灸的“提”手法。仿真結(jié)果如圖6所示，圖6(a)模擬仿真了聚焦聲場(chǎng)由20 mm提拉至15 mm的過程，左側(cè)圖為變化前后兩個(gè)聲場(chǎng)的合成圖，右側(cè)曲線圖展示了深度方向的聲強(qiáng)分布變化，表明移動(dòng)前后，兩個(gè)聲場(chǎng)只有部分區(qū)域重合，聲場(chǎng)作用區(qū)域未間斷，移動(dòng)步距合理；圖6(b)為聚焦聲場(chǎng)由15 mm深度提拉至10 mm深度的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，前后兩個(gè)聲場(chǎng)重疊部分較少，15～10 mm深度范圍內(nèi)存在聲場(chǎng)未作用的區(qū)域，需減小移動(dòng)步距，保證聲場(chǎng)作用區(qū)域的均勻性。

圖6 上移聚焦位置模擬傳統(tǒng)針灸手法—“提”

(2) 假定初始焦點(diǎn)位置為(0,0,20 mm)，逐步下移焦點(diǎn)位置至(0,0,30 mm)，模擬傳統(tǒng)針灸的“插”手法，仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)、7(b)為聚焦聲場(chǎng)由20 mm深度經(jīng)過兩次移動(dòng)，最終下移至30 mm深度的過程仿真。從仿真結(jié)果可以看出，移動(dòng)前、后兩個(gè)聲場(chǎng)的作用區(qū)域較大，重合部分較多，可以增大移動(dòng)步距，減少重復(fù)作用區(qū)域，提高聲場(chǎng)移動(dòng)的效率。

圖7 下移聚焦位置模擬傳統(tǒng)針灸手法—“插”

綜上所述，通過快速移動(dòng)垂直聚焦聲場(chǎng)的聚焦深度，可改變聲場(chǎng)在皮下匯聚的作用區(qū)域，以此來(lái)模擬傳統(tǒng)針刺“提”、“插”手法。由于聚焦聲場(chǎng)長(zhǎng)度會(huì)隨聚焦深度的增加而增大，因此焦斑移動(dòng)步距要隨聚焦深度而進(jìn)行修改，聚焦深度較小時(shí)，步距小，以避免作用區(qū)域間斷，增加聲場(chǎng)作用的均勻性，聚焦深度較大時(shí)，聚焦聲場(chǎng)作用范圍大，可適當(dāng)增加步距，提高移動(dòng)效率。

2.2.2 偏轉(zhuǎn)方向控制焦斑移動(dòng)

在偏轉(zhuǎn)方向上，控制偏轉(zhuǎn)聲場(chǎng)快速移動(dòng)，可模擬傳統(tǒng)針灸行針角度的變化。本文在14°和18°偏轉(zhuǎn)方向上，對(duì)控制焦斑移動(dòng)的過程進(jìn)行了仿真。圖8是在14°偏轉(zhuǎn)方向上，聚焦位置由(3 mm,0,12 mm)移至(2.5 mm,0,10 mm)以及由(6 mm,0,24 mm)移至(7 mm,0,28 mm)過程的仿真結(jié)果，左側(cè)為聲場(chǎng)分布圖，右側(cè)曲線圖為偏轉(zhuǎn)聲場(chǎng)在偏轉(zhuǎn)方向上的聲強(qiáng)分布。圖9是在18°偏轉(zhuǎn)方向上，聚焦位置由(5 mm,0,15 mm)移至(4 mm,0,12 mm)以及(7mm,0,21mm)移至(6 mm,0,18 mm)的仿真結(jié)果。

從以上仿真可以看出，偏轉(zhuǎn)聲場(chǎng)移動(dòng)模擬傳統(tǒng)針灸進(jìn)針角度變化，當(dāng)偏轉(zhuǎn)聚焦深度較小時(shí)，移動(dòng)前后兩個(gè)聲場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)方向存在誤差，如圖8(a)、圖9(a)所示，合成聲場(chǎng)存在彎折現(xiàn)象。因此，當(dāng)聚焦深度較小時(shí)，需改進(jìn)偏轉(zhuǎn)方向聲場(chǎng)控制模式，減小聲場(chǎng)偏轉(zhuǎn)誤差。增大偏轉(zhuǎn)聲場(chǎng)聚焦深度，移動(dòng)聚焦位置，結(jié)果如圖8(b)、圖9(b)所示。合成聲場(chǎng)偏轉(zhuǎn)方向一致，呈紡錘體狀分布，可在偏轉(zhuǎn)方向上形成超聲針灸所需的“針形”聲場(chǎng)，以此來(lái)模擬傳統(tǒng)針灸進(jìn)針角度的變化，并在偏轉(zhuǎn)方向?qū)崿F(xiàn)提、插手法。

圖8 聚集聲場(chǎng)向14°方向偏轉(zhuǎn)

圖9 聚集聲場(chǎng)向18°方向偏轉(zhuǎn)

3 結(jié)論

本文利用二維面陣對(duì)超聲“針灸”相控陣的垂直聚焦聲場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)聚焦聲場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，聚焦聲場(chǎng)實(shí)際聚焦位置與預(yù)設(shè)位置誤差小，可精準(zhǔn)控制超聲“針灸”作用的深度，且聲場(chǎng)橫向直徑小于0.8 mm，可滿足超聲“針灸”針形聲場(chǎng)要求。此外，本文仿真了垂直聚焦聲場(chǎng)聚焦位置上下移動(dòng)以及偏轉(zhuǎn)聚焦聲場(chǎng)移動(dòng)的過程，模擬傳統(tǒng)針灸的提、插手法以及進(jìn)針角度的變化。結(jié)果表明，通過快速移動(dòng)焦斑位置，改變聲場(chǎng)在皮下匯聚的作用區(qū)域，可以模擬傳統(tǒng)針刺“提”、“插”手法以及進(jìn)針角度的變化。

本文對(duì)超聲“針灸”相控陣的聚焦聲場(chǎng)及聲場(chǎng)控制模式進(jìn)行了研究，研究結(jié)果為準(zhǔn)確模擬傳統(tǒng)針灸手法提供了理論依據(jù)。

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Study on sound field and control mode of ultrasound acupuncture phased array

LIU Xiaoxiao1,2, WANG Huan1, LIU Chunze1, XU Xiaofang1, ZHOU Hongsheng1

(1. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Science, Shanghai 201815, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Bejing 100049, China)

Ultrasound "acupuncture" uses two-dimensional phased arrays to focus acoustic energy at different depths under the skin and stimulate specific points to mimic the traditional acupuncture techniques. In this article, the focused sound field and deflected sound field of the designed ultrasonic acupuncture phased array at different focusing depths are simulated, and the statistical analysis of focusing areas is made. It is clear that the delayed focusing sound field of the designed phased array probe can meet the requirement of "needle shape" for ultrasonic "acupuncture". Based on sound field simulation, a simulation study of the sound field control mode of ultrasonic “acupuncture” is carried out. The results show that by controlling the up and down movement of focusing position and the deflection of focusing sound field, the change of lifting, insertion and entering angle in traditional acupuncture techniques can be mimicked, which provides a theoretical basis for the ultrasound “acupuncture” to further mimic the traditional acupuncture techniques.

ultrasound acupuncture; phased array; sound field; control mode

TB552

A

1000-3630(2020)-02-0184-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2020.02.010

2019-12-07;

2020-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(11604365、11574348、11774382)，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所英才計(jì)劃（QNYC201828）資助項(xiàng)目。

劉曉曉(1995－), 女, 山東萊蕪人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)超聲。

周紅生,E-mail: zhs999@126.com