用于HIFU场测量的光纤Fabry-Perot水听器

中国电子科技集团公司第四十一研究所 刘 雷

1.引言

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound, HIFU)作为21世纪新兴的无创外科技术，在肿瘤治疗等领域取得了突破性进展，成为医学超声工程界研究的热点。将超声能量汇聚到靶向肿瘤的一个较小区域，HIFU (ISPTA ＞ 1000 W/cm2)使聚焦区域产生高温(＞65 °C)从而达到消融组织的目的。为了能进行安全、有效的HIFU治疗，避免损坏靶向肿瘤外围的正常组织，就必须准确的确定HIFU场的声能量分布和声焦域大小。

图1 光纤Fabry-Perot水听器

2.光纤Fabry-Perot水听器

光纤Fabry-Perot水听器结构如图1所示，光纤Fabry-Perot水听器是将一段外径为125 μm的石英毛细管内嵌于单模光纤中形成的低精细度的微型Fabry-Peort干涉仪，输入/输出光纤和反射光纤分别与石英毛细管连接处的界面作为Fabry-Perot干涉仪的两个反射面，石英毛细管的空气腔作为Fabry-Perot干涉腔。根据Fabry-Perot干涉仪原理，当两个反射面的反射率相等时，入射光强为Ii，则反射光强Ir可表示为：

3.实验结果

实验中采用了石英毛细管内径为35 μm、长度为378.079 μm光纤Fabry-Perot水听器。信号源输出频率为0.965 MHz连续正弦信号激励HIFU换能器产生HIFU场，换能器驱动功率为72 W时，使用光纤Fabry-Perot水听器系统测量HIFU场焦点处的声压。内径为35 μm的光纤Fabry-Perot水听器测得的时域曲线和频域曲线分别如图2(a)和2(b)所示。为便于比较，在图2中分别绘制了针式压电水听器测量HIFU场焦点处的时域曲线和频域曲线。

图2 驱动功率为72W，内径为35μm的光纤Fabry-Perot水听器与针式压电水听器测量HIFU声场：(a)时域图，(b)频域图

根据图2可以看出内径为35 μm的光纤Fabry-Perot水听器与针式压电水听器所测HIFU场焦点处时域曲线和频域曲线有很好的吻合度。图2(a)，内径为35μm光纤Fabry-Peot水听器测量HIFU场的声压值为4.95MPa，输出电压为76.8mV，其测量声压结果误差为2.3%。如图2(b)内径为35μm光纤Fabry-Perot水听器测量的频域曲线与针式压电水听器测量的频域曲线一次谐波有很好的重合性，其测量的高次谐波是由于超声波在水中非线性传播引起的。

4. 结论

验证本文所提出的光纤Fabry-Perot水听器可用于HIFU声场的测试，光纤Fabry-Perot水听器能够准确测量HIFU声场的分布对于精确预测治疗剂量和HIFU生物学效应、确保治疗的有效性和安全性以及在医学领域的广泛应用具有非常重要的意义。