阅读说明：本技术 基于空间非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控方法 (The phase transformation nano-liquid droplet for focusing vortex sound field based on spatial non-uniform regulates and controls method ) 是由 万明习 郭世放 郭叙言 王昕� 杜轩 于 2019-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于空间非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控方法,通过调节球形聚焦超声换能器阵元间的相对功率和相位,产生声压非对称分布、环状波腹上存在声压极大值的非均匀聚焦涡旋声场,利用这一非均匀聚焦涡旋声场,将分散的相变纳米液滴聚集为微米尺寸的团状液滴聚集体,从而显著降低相变纳米液滴的相变阈值,利用单个微秒级短脉冲作用于聚集的相变纳米液滴,进而诱导液滴相变,聚集体中液滴的纳米尺寸分布确保了相变微泡的振动活性。本发明使得活体条件下相变纳米液滴的声调控具有更高的灵活度和安全性。(The present invention provides a kind of phase transformation nano-liquid droplet regulation method that vortex sound field is focused based on spatial non-uniform, by adjusting relative power and phase between spherical focusing ultrasonic transducer array element, generate acoustic pressure asymmetric distribution, there are the non-homogeneous focusing vortex sound fields of acoustic pressure maximum in cyclic annular antinode, utilize this non-homogeneous focusing vortex sound field, the phase transformation nano-liquid droplet of dispersion is collected as to the bulk drop aggregation of micron-scale, to significantly reduce the phase transformation threshold value of phase transformation nano-liquid droplet, the phase transformation nano-liquid droplet of aggregation is acted on using single Microsecond grade short pulse, and then induce drop phase transformation, the nano-scale distribution of drop ensures the vibration activity of phase-converted microbubbles in aggregation.The invention enables the tone controls of phase transformation nano-liquid droplet under condition of living body to have higher flexibility ratio and safety.)

基于空间非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控方法

技术领域

本发明属于超声物理、超声检测与控制领域，具体涉及一种基于空间非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控方法。

背景技术

近年来，纳米载体在药物传递过程中的时空可控性已引起材料化学及药物传递领域的高度重视，各个学科也发展了相应的技术和方法，其中超声介导的靶向药物传递技术因其无创及良好穿透性等优势成为了该研究方向的一大热点。目前，在超声领域，由全氟化碳和包膜(脂质、蛋白质、表面活性剂等)组成的相变纳米液滴在实现药物的时空控释方面展现了巨大的潜力。在一定强度的超声作用下，相变纳米液滴会发生相变，转变为相变微泡，该现象也被称为声致液滴气化，对应液滴相变所需的最小声压即为其相变阈值。研究表明，相变微泡与超声相互作用时产生的微流和剪切应力可以促进药物的外渗并增强细胞通透性，从而促进药物在细胞中的原位吸收。目前相变纳米液滴在超声热消融、超声溶栓、血脑屏障开放等领域已得到广泛应用，然而液滴发生相变所需最小声压高于临床安全声压阈值(为FDA批准的诊断超声最高声压的四倍)，因而存在损伤健康组织和器官的风险。尽管大尺寸的微米液滴相变所需声压较低，但液滴相变产生的相变微泡尺寸往往过大，而过大尺寸的相变微泡在超声作用下的振动活性较差，导致了大尺寸相变微米液滴辅助超声治疗时效率较低。

为保证相变液滴辅助超声治疗时的高效性和安全性，避免超声治疗过程中因声压过高而对周围组织或器官造成附加损伤，如何降低相变纳米液滴的相变阈值并保证其对应相变微泡的振动活性成为相变纳米液滴调控的主要研究问题。研究表明，在一定的浓度范围内，液滴相变所需的最小声压随着浓度的升高而降低，然而，过高浓度的相变纳米液滴会使得机体产生心律失常甚至死亡等副作用。有学者证明，相变微米液滴因其球形结构而对入射声波具有聚焦作用，使得液滴内部声波聚焦点处的声压幅值相对于入射声波扩大数倍甚至数十倍，且该聚焦放大作用随着液滴尺寸的增加而增大，因此相变微米液滴具有比纳米液滴更低的相变阈值。基于此，有学者利用超声驻波场将血管内分散的相变纳米液滴聚集形成微米尺寸的液滴聚集体，利用液滴聚集体对入射声波进行聚焦放大，进而显著降低液滴相变的声压阈值，同时使得聚集后相变纳米液滴产生与聚集前相似尺寸分布的相变微泡，从而保证超声作用下相变微泡的振动活性。

然而，超声驻波场的产生需要两个对称放置的超声换能器或相对放置的一个超声换能器和一个声反射板，并且要求***控微粒位于换能器之间，因此极大地限制了其在实际应用时的空间可操控性。此外，超声驻波场中存在多个波节与波腹交替分布的现象，因而会在靶向区域外随机捕获其它粒子，并且多个波腹的存在也会造成靶向区域外声压次极大值的出现，进而产生安全隐患。因此，为了实现活体条件下相变纳米液滴的灵活声操控，促进基于超声的液滴操控技术在临床的应用，急需发展出一种更加安全、灵活的相变纳米液滴声操控技术。

微粒声调控技术中，基于涡旋声场的声操控通过调节超声涡旋换能器相邻阵元间的相位在涡旋声场中心形成低声压区域，即声势阱，从而完成对粒子的空间操控。相对于超声驻波场，涡旋声场可以由位于靶向区域一侧的单个超声换能器或换能器阵列产生，因而其在活体条件下具有高度的空间可操作性，并且涡旋声场特有的轨道角动量可以实现对声场内粒子的旋转操控。然而，目前文献中所用涡旋声场主要是声场内声压对称分布的均匀涡旋声场，并且集中于对微粒和微泡的声操控研究。在均匀涡旋声场中心区域，微粒和微泡将会被聚集在涡旋中心低声压区域(即波节)进而形成团状聚集体，而相变纳米液滴由于其声阻抗特性的差异将会在声辐射力作用下聚集在涡旋中心***高声压带区域(即波腹)，形成较大直径的环状聚集，导致均匀聚焦涡旋声场作用下相变纳米液滴聚集程度较低，并且不利于液滴辅助聚焦超声治疗中作用区域的精准控制。

中国专利：一种空间聚焦涡旋声场的产生装置及方法(CN109261472A)，其利用球面换能器产生声压幅值呈现出中心低声压、***环状高声压分布特点的聚焦涡旋声场，可以使充盈整个仿体血管的造影微泡迅速聚集于涡旋声场中心低声压区域。但目前尚未见到利用聚焦涡旋声场操控相变纳米液滴的报道。

发明内容

针对相变纳米液滴相变阈值过高以及现有基于超声驻波场的微粒声操控技术的局限性，本发明的目的在于提供一种基于空间非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控方法，从而实现对血管等组织器官内相变纳米液滴空间分布及相变阈值的灵活、精准、高效的声调控。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于空间非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控装置，该调控装置包括焦域可相互重叠的超声空化换能器和球形聚焦超声换能器(即聚焦超声***阵球面换能器)，该球形聚焦超声换能器的相邻***阵元的驱动信号的相位差保持一致，且存在n(n≥1) 个与其他***阵元功率不同的、用于使聚焦涡旋声场焦域内环状波腹上产生声压极大值点的***阵元。

优选的，所述球形聚焦超声换能器的***阵元分为A类***阵元和B类***阵元(位置相邻或分散)，A类***阵元的数量大于B类***阵元，A、B两类***阵元的功率W 满足：W_B＝aW_A，其中，0<a<1。

优选的，所述球形聚焦超声换能器***阵元的驱动信号的相位差为2π/N(N为阵元数)的非零整数倍。

优选的，所述超声空化换能器按一定频率(例如，2-10MHz)发射单个微秒级短脉冲超声。

优选的，所述调控装置还包括仿体、用于放置仿体的水箱以及用于观察和记录仿体内的相变纳米液滴及相变微泡的高速显微成像系统。

一种基于空间非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控方法，该调控方法包括以下步骤：

1)通过调节上述球形聚焦超声换能器(即聚焦超声***阵球面换能器)的驱动电路，使该球形聚焦超声换能器的相邻***阵元的驱动信号的相位差保持一致，且存在一个以上的与其他***阵元功率不同的***阵元，从而使所述球形聚焦超声换能器产生一个中心低声压、***环状高声压分布并且在高声压区上具有声压极大值点的非均匀聚焦涡旋声场；

2)利用所述非均匀聚焦涡旋声场使该涡旋声场(涡旋声场中心区域)内的相变纳米液滴聚集；

3)在停止步骤2)中所述非均匀聚焦涡旋声场后，利用上述超声空化换能器诱导聚集的相变纳米液滴形成相变微泡。

优选的，所述步骤2)中，相变纳米液滴聚集于所述非均匀聚焦涡旋声场内声压极大值点所在的声压较大区域。所述步骤3)中，超声空化换能器(3)按一定频率(例如， 2-10MHz)发射单个微秒级短脉冲超声，使位于上述非均匀聚焦涡旋声场的焦域位置内的聚集的液滴相变。

优选的，所述调控方法还包括以下步骤：利用高速显微成像系统对仿体内的相变纳米液滴在焦域定位于该仿体内的非均匀聚焦涡旋声场作用下的聚集过程进行观察、记录。

优选的，所述调控方法还包括以下步骤：利用高速显微成像系统对聚集后的相变纳米液滴的相变以及所形成的相变微泡的消散过程进行观察、记录。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过调节超声换能器(球形聚焦超声换能器)阵元间的相对功率和相位，产生声压非对称分布、环状波腹上存在声压极大值的非均匀聚焦涡旋声场，利用这一非均匀聚焦涡旋声场，将分散的相变纳米液滴聚集为微米尺寸的团状液滴聚集体，聚集体中液滴的纳米尺寸分布确保了相变微泡的振动活性，从而显著降低相变纳米液滴的相变阈值，本发明可以由位于靶向区域一侧的超声换能器(球形聚焦超声换能器、超声空化换能器)实现相变纳米液滴的声调控，且液滴操控区域可仅局限于涡旋声场焦域，相对于基于超声驻波场的液滴声调控，具有更高的灵活度和安全性(特别是在活体条件下)。

进一步的，本发明利用单个微秒级短脉冲作用于聚集的相变纳米液滴，避免相变微泡在超声作用下产生较大的融合，避免相变微泡尺寸过大而影响振动活性(也避免在仿体实验中影响对微泡初始半径的判断)。

附图说明

图1是本发明实施例中基于非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控实验系统的示意图；其中：1.聚焦涡旋声场驱动电路，2.高速显微成像系统，3.超声空化换能器，4.血管仿体，5.聚焦超声涡旋换能器，6.水箱。

图2是实验中制得的相变纳米液滴的尺寸测量结果；其中：(a)为液滴的体积百分比分布，(b)为液滴的数目百分比分布。

图3是非均匀聚焦涡旋声场内相变纳米液滴聚集过程的光学图像。

图4是非均匀聚焦涡旋声场焦点横向平面内声压分布图。

图5是非均匀聚焦涡旋声场内相变纳米液滴所受声辐射力的矢量分布图；其中(a)为全局分布，(b)为声压非均匀分布区域(a中虚线框)内液滴所受声辐射力的细节分布。

图6是非均匀聚焦涡旋声场的仿真结果；其中：(a)为声场的声压分布，(b)为声场内相变纳米液滴受力的矢量分布。

图7是相变纳米液滴聚集体相变及相变微泡消散过程的光学图片。

图8是不同浓度相变纳米液滴聚集前后相变阈值随液滴初始浓度的变化关系。

图9是超声相变脉冲作用后5.35s时相变微泡的光学图像；其中：(a)为分散(未聚集)的相变纳米液滴产生的相变微泡，(b)、(c)、(d)为不同初始浓度下液滴聚集体产生的相变微泡，(a)、(b)、(c)、(d)中相变纳米液滴初始浓度分别为1.64×10¹⁰droplets /ml、4.1×10⁹droplets/ml、8.2×10⁹droplets/ml、1.64×10¹⁰droplets/ml。

图10是图9中四种情况下对应产生的相变微泡的初始半径分布情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提出的基于非均匀聚焦涡旋声场的相变纳米液滴调控方法适用于非自由场流体内相变纳米液滴的空间分布及其相变阈值的调控。本发明采用聚焦超声涡旋换能器产生的非均匀聚焦涡旋声场，在血管仿体内完成了对相变纳米液滴的调控，包括以下步骤：

步骤一、安置聚焦超声涡旋换能器、透明血管仿体、高速显微摄像机和超声空化换能器，精确调节四者之间的相对空间位置。

参见图1，将制作的由丙烯酰胺凝胶组成的透明血管仿体4作为相变纳米液滴的流通通道，且透明血管仿体4沿图1中y轴方向放置在装满除气水的水箱6内；聚焦超声涡旋换能器5固定在水箱6上，其轴向沿x轴方向；高速显微成像系统2的高速显微摄像机沿x轴方向放置，光路经由聚焦超声涡旋换能器5的中央孔洞到达摄像镜头，记录光学数据；超声空化换能器3沿z轴方向放置。为了利用聚焦超声涡旋换能器5及超声空化换能器3实现对相变纳米液滴的调控，将超声空化换能器3与相应的换能器驱动装置连接。同时，建立聚焦涡旋声场产生系统，由聚焦涡旋声场驱动电路1生成多路驱动信号并输入聚焦超声涡旋换能器5(具体可采用十六***阵球面换能器等聚焦超声***阵球面换能器)；聚焦涡旋声场驱动电路1包括电源、信号发生器(时序控制)、功率放大模块和阻抗匹配电路，其中电源用于向信号发生器和功率放大模块提供能量，信号发生器产生多路相位(根据涡旋声场对相位要求)、频率(根据聚焦超声***阵球面换能器频率)可调的方波信号，经无源一次低通滤波器滤去信号中高频分量将方波近似转化为正弦波，进而通过功率放大模块对多路正弦波信号的幅值进行放大，最后通过阻抗匹配电路将经过放大的正弦波信号与聚焦超声***阵球面换能器的各扇形阵元进行精确调谐匹配，同时对各个经过放大的正弦波信号的幅值进行调整。

调节透明血管仿体4位置使得聚焦超声涡旋换能器5的焦域在透明血管仿体4内部。以十六***阵球面换能器为例，其开口直径和焦距均为12cm，计算可知涡旋声场焦域距离该换能器表面10.4cm。可利用三维运动装置调节透明血管仿体4位置，使透明血管仿体4与十六***阵球面换能器中心等高，且透明血管仿体4中心与十六***阵球面换能器在换能器轴向方向距离为10.4cm，从而确保涡旋声场焦域位于血管仿体内部。

步骤二、利用脉动泵将混有一定浓度相变纳米液滴的生理盐水溶液泵入透明血管仿体4内部，待溶液静止后利用聚焦涡旋声场产生系统在透明血管仿体4中央产生非均匀聚焦涡旋声场。

实验中制作得到了由全氟己烷和氟碳表面活性剂组成的相变纳米液滴并利用Zetasizer纳米粒子测量系统对相变纳米液滴的尺寸分布进行测量，图2展示了利用Zetasizer纳米粒子测量系统得到的相变纳米液滴的尺寸分布结果：相变纳米液滴平均直径为400～420nm，直径分布范围为100～1000nm；对应液滴的初始浓度约为1.64×10¹²droplets/ml，用生理盐水稀释(实验过程中利用生理盐水分别将相变纳米液滴溶液稀释100倍、200倍和400倍。)后的相变纳米液滴溶液泵入透明血管仿体4内。

开启聚焦涡旋声场产生系统，调节聚焦超声涡旋换能器5阵元间的相对功率和相位值，以十六***阵球面换能器为例，可调节相邻超声换能器阵元间的相位差固定为π/8，调节9～12号四个换能器阵元的功率为其他阵元功率的0.25倍。即在控制输入至聚焦超声***阵球面换能器相邻***阵元的驱动信号的相位差保持一致的同时，通过控制具有不同功率的***阵元的数量和位置，使聚焦超声涡旋换能器5产生具有中心低声压、***环状高声压分布特点的涡旋声场中心区域(即聚焦涡旋的焦域)，且在波腹(***环状高声压区)上具有声压极值点(该点声压相对于周围点处声压值更大)的非均匀聚焦涡旋声场。

实验过程中聚焦涡旋超声换能器采用连续工作模式，利用非均匀聚焦涡旋声场对相变纳米液滴进行聚集，聚集时间为3min，利用高速显微成像系统2对非均匀聚焦涡旋声场内相变纳米液滴的聚集过程进行观察，分析液滴聚集体半径与面积随时间的变化情况。参见图3，非均匀聚焦涡旋声场作用下相变纳米液滴聚集的具体过程为：在初始时刻，相变纳米液滴均匀分布在血管仿体内部，由于纳米液滴具有与水相似的光学特性以及较小的尺寸，分散的相变纳米液滴在光学图像中不可见。在0s时刻，开启聚焦涡旋声场产生系统，在血管仿体内产生非均匀聚焦涡旋声场，在其声辐射力的作用下，分散的相变纳米液滴开始聚集，在30s时，光学图像中心可以观察到相变纳米液滴的聚集区域，表现为该区域内像素点灰度值的下降。随着声场作用时间的增加，相变纳米液滴进一步向涡旋中心区域移动，50s时涡旋声场中心区域开始形成一个团状液滴聚集体，在 180s时相变纳米液滴的聚集基本完成，液滴聚集体在图像中呈现为近似的圆形。

实验中产生的非均匀聚焦涡旋声场在焦点横向平面内的声压分布参见图4。图4中，在聚焦涡旋声场环状波腹左上方存在一个声压较大区域，从而证明了非均匀聚焦涡旋声场(声压非对称分布、环状波腹上存在声压极大值)的产生，推测正是因为声压的非均匀性分布使得相变纳米液滴在声辐射力的作用下聚集成团状液滴聚集体。

由图5(a)中非均匀聚焦涡旋声场内相变纳米液滴受力的矢量分布情况可知，此时相变纳米液滴受力情况为涡旋中心区域液滴受力远离涡旋中心，外周区域液滴受力指向涡旋中心，而在涡旋声场环状波腹左上方声压非均匀处，液滴受力方向发生偏转，不再背向涡旋中心。由图5(b)中声压非均匀分布区域内相变纳米液滴受力矢量分布可知，该区域内液滴受力指向一点，因此预测相变纳米液滴将在非均匀涡旋声场作用下聚集于此处，形成一个团状液滴聚集体。

由于声场扫描设备空间精度的限制，声场扫描时相邻两点间的最小距离为0.25mm，使得当利用图4中声场扫描数据对聚焦涡旋声场内粒子进行受力分析时无法清晰地反映出更进一步的细节。为了更清楚地对非均匀聚焦涡旋声场内相变纳米液滴的聚集机制进行探讨，对非均匀聚焦涡旋声场内声压的分布进行了仿真计算。

相变纳米液滴聚集过程的物理学分析如下：

对于液体微粒，其在声场中体积基本不发生改变，当微粒的半径远小于超声波长时，考虑锐利散射，在单一介质中，声场中微粒的势能可由下式表示：

式中：r为微粒的半径，ρ₀为介质的密度，p_in为入射声波的声压，c₀为超声在介质中的传播速度，v_in为微粒所在位置的速度，和分别表示对声压和速度平方值的时间平均，f₁及f₂的计算表达式如下：

式中：c为超声在微粒中的传播速度；ρ为微粒的密度。式(1)中的v_in可由速度势能V的梯度求得，速度势能V由下式给出：

对于悬浮在介质中的微粒，其所受到的声辐射力可由势能的梯度计算得到，即声辐射力

仿真计算时参数设置如下：相变纳米液滴的半径为200nm，相变纳米液滴的密度为1680kg/m³，液滴内声波传播速度为520m/s，聚焦超声涡旋换能器(十六***阵球面换能器)的中心频率为645KHz，曲率半径为120mm，开口半径为120mm，中心小孔半径为60mm，阵元个数为16个，相邻阵元间的相位差为π/8，9～12号阵元的功率分别为 0.1875W，其余阵元功率分别为0.75W。介质(水)的密度为1000kg/m³，介质(水) 中的声速为1540m/s。

将实验测量得到的非均匀聚焦涡旋声场焦点横截面内声压的分布数据导入MATLAB软件，对非均匀聚焦涡旋声场内相变纳米液滴的受力情况进行仿真计算。聚焦涡旋声场仿真计算时通过调整聚焦超声涡旋换能器(十六***阵球面换能器)相应***阵元的功率，可以在声场中心左上方形成一个声压较大的区域，如图6(a)所示。利用图6(a)中仿真计算得到的非均匀聚焦涡旋声场内声压的分布数据，对非均匀聚焦涡旋声场中声压非均匀区域内相变纳米液滴的受力分布情况进行仿真计算，结果如图6(b)所示。由图6(b)可知，在非均匀聚焦涡旋声场作用下，在环状波腹上声压非均匀区域，沿涡旋声场半径方向，相变纳米液滴受力均指向声压非均匀区域内一点，即图中圆圈位置，且在涡旋中心外周的环状高声压带上，该点左侧相变纳米液滴受力方向为顺时针，右侧相变纳米液滴受力方向则为逆时针，这表明涡旋声场环状高声压带上的相变纳米液滴也会逐渐向该点聚集，因此最终相变纳米液滴将在该点处聚集形成团状聚集体，即声压的非均匀性分布使得相变纳米液滴在声辐射力的作用下聚集成团状液滴聚集体。

步骤三、分别利用高速显微成像系统2和主动空化检测技术确定相变纳米液滴聚集体和超声空化换能器焦域的位置，并通过三维运动装置调节超声空化换能器3位置，使得超声空化换能器3的焦域与聚焦超声涡旋换能器5的焦域在空间位置上准确重叠，利用超声空化换能器3发射超声脉冲，诱导液滴聚集体内部的相变纳米液滴产生相变，并利用高速显微成像系统2对液滴的相变以及相变微泡的消散过程进行实时观察与记录。

在超声空化换能器(中心频率＝5MHz)每次只发射一个相变脉冲，且脉冲长度为20个周期，对应时长为4μs的超声作用下，高速显微成像系统2记录的相变纳米液滴的相变以及相变微泡的消散过程参见图7。在超声空化换能器3发射超声脉冲前(0s时刻)关闭了聚焦涡旋声场产生系统，此时相变纳米液滴聚集体在重力作用下下落，液滴聚集体形态也发生变化，如0.25s时的光学图像所示。在0.26s时超声空化换能器3发射超声脉冲，在超声脉冲的作用下液滴聚集体出现突然加快的向下运动，在2.2s时相变纳米液滴聚集体基本离开光学观察视野，在2.7s时可以在图像中观察到相变微泡的出现，之后在浮力的作用下相变微泡逐渐上浮，并且由于相变微泡与生理盐水内空气的对流扩散作用，上浮过程中相变微泡体积逐渐变大。

步骤四、分析不同条件下按照步骤三得到的光学图片，得出相同相变纳米液滴浓度条件下，液滴在聚集与分散两种状态下的相变阈值以及相变微泡的初始半径分布，并完成二者间的比较分析。

参见图8，相同相变纳米液滴浓度条件下，有/无非均匀聚焦涡旋声场(无涡旋/有涡旋)时液滴的相变阈值随液滴初始浓度不同而变化。由图8可知，当相变纳米液滴浓度保持不变时，利用非均匀聚焦涡旋声场形成相变纳米液滴聚集体后，液滴聚集体内液滴的相变阈值相对于分散的相变纳米液滴显著降低(p<0.01)，且随着液滴初始浓度的增加，两种条件下(无涡旋/有涡旋)相变纳米液滴的相变阈值都逐渐下降。

参见图9，超声脉冲作用后5.35s时，从(a)、(b)、(c)、(d)四种情况下相变微泡的光学图像对比可知，液滴相变后同一时刻，相变纳米液滴产生的相变微泡的半径分布(相变微泡的大小)无明显变化。

参见图10，在图9中的(a)、(b)、(c)、(d)四种情况下，相变微泡的半径均值都在12～16μm范围内，这表明通过非均匀聚焦涡旋声场聚集的相变纳米液滴，在显著降低液滴相变阈值的同时并不会明显增大其产生的相变微泡的尺寸。