本发明属于声学超材料领域，特别涉及一种基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料。
背景技术：
在医学领域，核磁共振成像(mri)、计算机断层扫描(ct)和颅脑超声，是颅脑疾病主要的影像学诊断方法。尽管mri一般被认为是最适合颅脑检查的方法，ct也具有其优秀的诊断价值，但在某些情况下，颅脑超声具有不可取代的作用。首先，颅脑超声可以提供mri和ct无法获取的血流动力学信息；其次，颅脑超声设备轻便，适用于救护车、急诊室、重症监护室等抢救科室的床旁检测和长期动态监测，尤其对于不能搬动的危重患者可实施床旁检查；另外，超声检测无ct的辐射损伤，无mri的强磁场造成的不适感。因此颅脑超声成像技术具有重要的临床应用价值。但是，由于颅骨与颅内软组织间存在巨大的声阻抗失配，超声波在颅骨内外两界面处会发生严重反射，再加上颅骨对声波的强烈吸收，携带颅内组织和血流信息的超声波信号到达接收探头时只剩下约1％的能量。目前的颅脑超声成像技术强烈依赖于颅骨天然存在或人工制造的声窗，如“颞骨声窗”和“眼眶声窗”，超声波无法直接穿过大部分较厚的颅骨进行组织和血流成像。且研究发现，随着年龄的增长，颞骨会逐渐增厚，老年女性经颅多普勒超声的失败率可达10％以上。总之，颅骨对超声具有极强的衰减和畸变效应，超声以常规的方式难以有效穿透颅骨实现颅内组织和血流成像。
近年来，声学超材料的迅速发展为解决上述难题提供了新的思路。声学超材料是目前国际学术界和工程界研究的热点之一，它是由亚波长结构单元构成的具有超常物理特性的人工周期性材料。通过巧妙设计超材料的结构单元，可以精确操控声波的传输方向，从而实现常规材料所不具备的独特功能，例如负折射、负反射、声隐形等，在军事隐形、减振降噪、医学成像等领域具有广泛的应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料，能够有效消除颅骨对声波的耗散和畸变作用。
本发明提供如下技术方案：
一种基于米氏共振的用于穿颅超声成像的声学超材料，所述的双负型声学超材料包括作为基体的超声耦合剂和分散在基体中用于发生米氏共振的散射体，所述散射体为多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球。
优选的，所述多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球在基体中的体积分数为15～25％。
优选的，所述超声耦合剂的密度为900～1100kg/m3，声速为1400～1600m/s。
优选的，所述多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球的质量密度为500～700kg/m3，声速为120～180m/s。
优选的，所述多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球的半径为50～70μm。
所述声学超材料在0.63～0.73mhz的频率范围下同时实现负等效质量密度和负等效弹性模量。
本发明针对超声波难以穿透颅骨这一难题，提出一种基于米氏共振的双负型声学超材料来精确操控声波传输路径从而提高其穿透率。本发明提供的声学超材料为一种复合材料，其基体为超声耦合剂(密度为900～1100kg/m3，声速为1400～1600m/s)，发生米氏共振的散射体为多孔聚乙二醇双丙烯酸酯(pegda)水凝胶微球。由于存在大量空气腔，多孔水凝胶微球表现出低的声速(120～180m/s)和适中的质量密度(500～700kg/m3)，可引起较大的单极米氏共振，从而产生负的等效弹性模量。同时，大量粘稠的粒子表现出较强的偶极米氏共振，从而产生负的等效质量密度。通过改变多孔水凝胶微球的密度、声速、半径和在基体中的体积分数，可以调控负等效参数产生的频率范围(0.63～0.73mhz)。
本发明提供的双负型声学超材料能够有效消除颅骨对声波的耗散和畸变作用。本发明提供的双负型声学超材料有望实现不依赖于声窗的穿颅超声成像，在临床影像学诊断领域具有极大的应用价值。
附图说明
图1为聚焦超声束声场有限元模拟：(a)只有水存在；(b)水和颅骨；(c)水、颅骨和双负型声学超材料。
图2为微流控技术制备多孔水凝胶微球的示意图。
图3为多重散射模型计算的实施例1中的多孔水凝胶微球分散于超声耦合剂中的(a)等效密度实部、(b)等效密度虚部、(c)等效弹性模量实部和(d)等效弹性模量虚部；其中，多孔水凝胶微球密度500kg/m3，声速120m/s，半径50μm，体积分数15％；超声耦合剂密度900kg/m3，声速1400m/s。
图4为多重散射模型计算的实施例2中的多孔水凝胶微球分散于超声耦合剂中的(a)等效密度实部、(b)等效密度虚部、(c)等效弹性模量实部和(d)等效弹性模量虚部；其中多孔水凝胶微球密度600kg/m3，声速150m/s，半径60μm，体积分数20％；超声耦合剂密度1000kg/m3，声速1500m/s。
图5为多重散射模型计算的实施例3中的多孔水凝胶微球分散于超声耦合剂中的(a)等效密度实部、(b)等效密度虚部、(c)等效弹性模量实部和(d)等效弹性模量虚部；其中，多孔水凝胶微球密度700kg/m3，声速180m/s，半径70μm，体积分数25％；超声耦合剂密度1100kg/m3，声速1600m/s。
图6为多重散射模型计算的对比例1中的钢珠微球分散于超声耦合剂中的(a)等效密度实部、(b)等效密度虚部、(c)等效弹性模量实部和(d)等效弹性模量虚部；其中，钢珠微球密度7900kg/m3，声速5955m/s，半径60μm，体积分数20％；超声耦合剂密度1000kg/m3，声速1500m/s。
图7为多重散射模型计算的对比例2中的空心水凝胶微球分散于超声耦合剂中的(a)等效密度实部、(b)等效密度虚部、(c)等效弹性模量实部和(d)等效弹性模量虚部；其中，空心水凝胶微球密度200kg/m3，声速500m/s，半径60μm，体积分数20％；超声耦合剂密度1000kg/m3，声速1500m/s。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为本发明的限定。
本发明提出的基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料，其散射体多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球(多孔水凝胶微球)可采用微流控技术进行制备(如图2所示)。
多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球的具体制备方法如下：1)配制分散相溶液。在棕色玻璃瓶中加入聚乙二醇双丙烯酸酯(pegda)、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(i-1173、光引发剂)、冰乙酸、磁力搅拌10分钟后再加入去离子水，最后，称量碳酸氢钠(造孔剂)加入上述溶液，搅拌后获得分散相溶液。2)配制连续相溶液。在烧杯中加入二甲基硅油、表面活性剂span80，搅拌至完全溶解，获得连续相溶液。3)组装微流控平台。分别将分散相和连续相溶液吸入2ml针筒，并将针筒分别固定在注射泵上，调整注射泵参数(连续相流速为0.5ml/h，分散相流速为0.05ml/h)；将微流控芯片安装在夹具上，芯片入口通过软管与针头连接，出口软管通入收集瓶，在收集瓶上方安装紫外灯(7w-365nm)。4)开启注射泵及紫外灯。等待2～3小时，收集到分散的多孔水凝胶微球的溶液。5)分离出多孔水凝胶微球。离心洗涤，重复3次，获得多孔水凝胶微球。
基于多重散射模型，可以计算得到上述声学超材料的等效质量密度和等效弹性模量随频率的变化曲线，具体的计算公式如下所示，
其中，ρ为动态等效质量密度，ρ0为静态时的质量密度，η为散射体多孔水凝胶微球的体积分数，k0为波数，f(0)为单个散射体的前向散射函数，f(π)为单个散射体的后向散射函数，m为动态等效弹性模量，m0为静态时的弹性模量。散射函数f(θ)的计算公式如下所示：
其中，sn为单个散射体的散射系数，pn(cosθ)为勒让德多项式。
本发明采用有限元仿真模拟了三种情况下的聚焦超声束声场分布情况，结果如图1所示，图1中的(a)只有水存在、(b)水和颅骨、(c)水、颅骨和双负型声学超材料。超声波经过只有颅骨存在的水介质中时能量大幅降低(如图1中的(b)所示))，且聚焦超声束穿颅后聚焦的位置与只有介质水单独存在时大不相同，说明颅骨对超声束存在严重的畸变和衰减作用，这来源于颅骨与水的阻抗失配造成了声波在颅骨表面被大量反射，以及颅骨对声波能量的耗散。在颅骨前加一层本发明提供的双负型声学超材料(实施例1或实施例2或实施例3中的)时(如图1中的(c)所示))，聚焦超声束穿透颅骨后的能量与颅骨单独存在时相比大幅提高，且聚焦的位置与只有水单独存在时极为接近。上述仿真结果从理论上证明了本发明提出的双负型声学超材料确实能够有效消除颅骨对声波的耗散和畸变作用。
实施例1
多孔水凝胶微球的密度为500kg/m3，声速为120m/s，半径为50μm；超声耦合剂的密度为900kg/m3，声速为1400m/s；将多孔水凝胶微球均匀分散在超声耦合剂基体中，获得所需的双负型声学超材料，其中多孔水凝胶微球的体积分数为15％。基于多重散射模型计算得到的等效质量密度和等效弹性模量随频率的变化曲线如图3所示，该声学超材料在0.63～0.67mhz频率下同时表现出负等效质量密度和负等效弹性模量。
实施例2
多孔水凝胶微球的密度为600kg/m3，声速为150m/s，半径为60μm；超声耦合剂的密度为1000kg/m3，声速为1500m/s；将多孔水凝胶微球均匀分散在超声耦合剂基体中，获得所需的双负型声学超材料，其中多孔水凝胶微球的体积分数为20％。基于多重散射模型计算得到的等效质量密度和等效弹性模量随频率的变化曲线如图4所示，该声学超材料在0.67～0.70mhz频率下同时表现出负等效质量密度和负等效弹性模量。
实施例3
多孔水凝胶微球的密度为700kg/m3，声速为180m/s，半径为70μm；超声耦合剂的密度为1100kg/m3，声速为1600m/s；将多孔水凝胶微球均匀分散在超声耦合剂基体中，获得所需的双负型声学超材料，其中多孔水凝胶微球的体积分数为25％。基于多重散射模型计算得到的等效质量密度和等效弹性模量随频率的变化曲线如图5所示，该声学超材料在0.68～0.73mhz频率下同时表现出负等效质量密度和负等效弹性模量。
对比例1
钢珠微球的密度为7900kg/m3，声速为5955m/s，半径为60μm；超声耦合剂的密度为1000kg/m3，声速为1500m/s；将钢珠微球均匀分散在超声耦合剂基体中，获得声学复合材料，其中钢珠微球的体积分数为20％。基于多重散射模型计算得到的等效质量密度和等效弹性模量随频率的变化曲线如图6所示，该声学复合材料0～1mhz内均表现为正等效质量密度和正等效弹性模量。
对比例2
空心水凝胶微球(空心聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球)的密度为200kg/m3，声速为500m/s，半径为60μm；超声耦合剂的密度为1000kg/m3，声速为1500m/s；将空心水凝胶微球均匀分散在超声耦合剂基体中，获得声学复合材料，其中空心水凝胶微球的体积分数为20％。基于多重散射模型计算得到的等效质量密度和等效弹性模量随频率的变化曲线如图7所示，该声学复合材料仅在0.82～1mhz内表现出单一的负等效弹性模量。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料，其特征在于，所述的双负型声学超材料包括作为基体的超声耦合剂和分散在基体中用于发生米氏共振的散射体，所述散射体为多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球。
2.根据权利要求1所述的基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料，其特征在于，所述多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球在基体中的体积分数为15～25％。
3.根据权利要求1或2所述的基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料，其特征在于，所述超声耦合剂的密度为900～1100kg/m3，声速为1400～1600m/s。
4.根据权利要求1或2所述的基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料，其特征在于，所述多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球的质量密度为500～700kg/m3，声速为120～180m/s。
5.根据权利要求1或2所述的基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料，其特征在于，所述多孔聚乙二醇双丙烯酸酯水凝胶微球的半径为50～70μm。
6.根据权利要求1或2所述的基于米氏共振的用于穿颅超声成像的双负型声学超材料，其特征在于，所述声学超材料在0.63～0.73mhz的频率范围下同时实现负等效质量密度和负等效弹性模量。
技术总结