本發(fā)明總體上涉及聲操控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

聲波作為一種機械波，可與聲場內(nèi)的微粒進行動量與能量交換，產(chǎn)生聲輻射力，操控微粒運動。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到物理、化學(xué)、生物學(xué)等多個領(lǐng)域，因其具有非接觸、無損傷，生物兼容性好等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注。當(dāng)前聲操控技術(shù)及器件主要針對操控物體在密度、聲速等聲參數(shù)均一的均勻介質(zhì)(水，空氣)中，這是因為聲在均勻介質(zhì)中的傳播和分布是精確可控的，因此可以合成需要的聲場剖面。而復(fù)雜非均勻介質(zhì)(如人體等)中密度、聲速等參數(shù)的非均勻分布，引起復(fù)雜的聲反射、散射、折射和吸收等過程，難以對聲的傳播和能量分布精確建模，因此利用當(dāng)前聲操控技術(shù)在非均勻介質(zhì)中很難產(chǎn)生滿足操控需要的聚焦場、駐波場、渦旋場等聲場，故難以實現(xiàn)對非均介質(zhì)內(nèi)微粒的操控。這極大限制了聲操控器件在諸如體內(nèi)定點給藥、生殖醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

已知有利用一對超聲探頭產(chǎn)生駐波【參見wu,j,acoutiscaltweezers.j.acoust.soc.am.1991.89(5),2140-2143.】或單陣元高頻探頭產(chǎn)生聚焦聲場【參見leej,tehs,ylee,akim,h.hlee,shungk.k.singlebeamacoustictrapping.applphyslett.2009.95(7),73701(1)-73707(3).】在水中操控微粒。此外，還有利用制作出的二維面陣列探頭通過在空氣或水中精確調(diào)控相位達到在任意預(yù)設(shè)路徑操控微粒的目的【參見courtney,charlesr.p.demore,christinee.m.,wuhongxiao,grinenkoalon,wilcoxpauld.,cochransandy,drinkwaterbrucew.independenttrappingandmanipulationofmicroparticlesusingdexterousacoustictweezers；applphyslett.2014.104(15),154103(1)-154103(4)./marzoasier,seahsueann,drinkwaterbrucew.,sahoodeepakranjan,longbenjamin,subramaniansriram；naturecommunications.2015.6,1-6./yoichiochiai,takayukihoshi,junrekimoto.three-dimensionalmid-airacousticmanipulationbyultrasonicphasedarrays.plosone,9(5),1-5.】。在這些現(xiàn)有技術(shù)中，所涉及的操控微粒系統(tǒng)，雖然比已往技術(shù)有了一些進步，但在操控微粒時所處的介質(zhì)也是均勻介質(zhì)。而在非均勻介質(zhì)內(nèi)，操控微粒仍很難實現(xiàn)。這是由于非均勻介質(zhì)對聲波存在復(fù)雜的散射和折射，難以使換能器直接發(fā)射聲場直接定點形成聚焦場、渦旋場等聲場，難以產(chǎn)生操控微粒的聲學(xué)勢阱。這樣極大地限制了聲操控應(yīng)用領(lǐng)域的范圍。

有鑒于此，需要開發(fā)一種新的技術(shù)來克服這些缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的系統(tǒng)與方法，以實現(xiàn)在非均勻介質(zhì)中的任意路徑對微粒進行操控。

一方面，本發(fā)明提供了一種基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的系統(tǒng)，其可以包括：陣列探頭、點源、信號接收與發(fā)射控制裝置以及上位機，其中，所述陣列探頭由單陣元或多陣元組成，所述陣列探頭和所述信號接收與發(fā)射控制裝置能通信地連接，所述信號接收與發(fā)射控制裝置與所述上位機能通信地連接，所述上位機能對其接收到的信號(優(yōu)選聲波信號)進行時間反轉(zhuǎn)處理。另一方面，本發(fā)明還可以利用數(shù)值計算方法(如時域有限差分方法fdtd)模擬虛擬點源的信號在全空間中(均勻或非均勻介質(zhì))的傳播，然后將虛擬探測點(探測陣列探頭位置)接收到的聲波信號進行時間反轉(zhuǎn)(并行適當(dāng)?shù)男盘柼幚?，輸入至探測陣列探頭，進行發(fā)射。這一方法尤其針對在如：超聲體內(nèi)定點給藥，聲點源無法放置在介質(zhì)空間內(nèi)的情形。

優(yōu)選，所述陣列探頭用于接收與發(fā)射信號；所述信號接收與發(fā)射控制裝置用于處理和傳送來自所述陣列探頭接收的信號和來自上位機發(fā)射的信號；并且所述上位機是用于處理來自所述信號接收與發(fā)射控制裝置傳回的信號以及發(fā)送信號。

進一步優(yōu)選，所述陣列探頭用于接收與發(fā)射聲波信號；所述信號接收與發(fā)射控制裝置用于處理和傳送來自所述陣列探頭接收的聲波信號和來自上位機發(fā)射的指令信號；并且所述上位機是用于處理來自所述信號接收與發(fā)射控制裝置傳回的控制信號以及發(fā)送指令信號。

優(yōu)選，所述陣列探頭是一維線陣列或者是二維面陣列，可由至少一排或者更多排組成，本節(jié)驗證選擇4列換能器。此外，每排換能器陣列的點陣個數(shù)越多越好，這里選用22*22陣列的點陣換能器，所述陣列探頭形狀是平面形或者圓弧形。

本發(fā)明還提供了一種使用時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的方法，其可以包括以下步驟：使介質(zhì)中的點源沿著預(yù)設(shè)的任意路徑運動并發(fā)射聲波信號；陣列探頭接收來自由所述點源發(fā)射出并穿過所述非均勻介質(zhì)的所述聲波信號，且將所述聲波信號依次傳送到如上所述的信號接收與發(fā)射控制裝置和上位機；所述上位機將接收到的所述聲波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理；使所述陣列探頭發(fā)射經(jīng)處理后的所述聲波信號；微粒將沿著預(yù)設(shè)的路徑(點源運動的路徑)運動。

進而言之，一種使用時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的方法可以包括以下步驟：使上位機接收來自點源的聲波信號；所述上位機將接收到的所述聲波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理；將經(jīng)時間反轉(zhuǎn)處理后的所述聲波信號發(fā)送至陣列探頭；使所述陣列探頭向介質(zhì)中發(fā)射經(jīng)時間反轉(zhuǎn)處理后的所述聲波信號；并且使位于在所述點源的位置(優(yōu)選點源的初始位置)的微粒沿著所述點源運動的軌跡運動。所述點源可以為物理點源，并且所述方法可以相應(yīng)地包括以下步驟：使介質(zhì)中的所述物理點源沿著微粒將運動經(jīng)過的路徑運動并發(fā)射聲波信號；所述陣列探頭接收來自由運動中的所述物理點源發(fā)射出并穿過所述非均勻介質(zhì)的所述聲波信號，且將所述聲波信號依次傳送到如上所述的信號接收與發(fā)射控制裝置和上位機；所述上位機將接收到的所述聲波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理；將經(jīng)時間反轉(zhuǎn)處理后的所述聲波信號發(fā)送至陣列探頭；使所述陣列探頭向介質(zhì)中發(fā)射經(jīng)時間反轉(zhuǎn)處理后的所述聲波信號；并且使位于在所述物理點源的位置(優(yōu)選物理點源的初始位置)的微粒沿著所述物理點源運動的軌跡運動。所述點源也可以為虛擬點源，并且所述方法可以相應(yīng)地包括以下步驟：利用數(shù)值計算方法模擬所述虛擬點源在具有均勻或非均勻介質(zhì)的全空間中運動并模擬所述虛擬點源發(fā)出聲波信號；模擬所述陣列探頭接收該聲波信號，并將該聲波信號輸入所述上位機中；所述上位機將接收到的所述聲波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理；使所述陣列探頭發(fā)射經(jīng)處理后的所述聲波信號；并且使位于在所述虛擬點源的位置(優(yōu)選虛擬點源的初始位置)的微粒沿著所述虛擬點源運動的軌跡運動。

優(yōu)選，在所述方法中，所述時間反轉(zhuǎn)處理為將先接收到的所述聲波信號后發(fā)射，而將后接收到的所述聲波信號先發(fā)射。

優(yōu)選，在所述方法中，在所述陣列探頭發(fā)射的所述聲波信號在所述點源位置處聚焦并形成聲學(xué)勢阱時，對所述微粒進行捕獲、操控。

優(yōu)選，在所述方法中，所述點源為連續(xù)移動點源，而所述介質(zhì)為均勻介質(zhì)或者非均勻介質(zhì)。所述方法還可以包括操控所述微粒在介質(zhì)中的運動路徑或者操控所述介質(zhì)中的任意路徑上的微粒

優(yōu)選，在所述方法中，所述陣列探頭共振頻率介于1khz-500mhz之間，優(yōu)選介于20khz-50mhz之間。

優(yōu)選，在所述方法中，所述微粒為泡沫球，所述陣列探頭共振頻率為40khz。

聲學(xué)時間反轉(zhuǎn)技術(shù)是一種具有獨特優(yōu)點的自適應(yīng)聚焦方法，不論介質(zhì)和陣列探頭的狀況如何，在不需要先驗知識(如媒質(zhì)的密度、聲速、衰減系數(shù)等參數(shù)的空間分布，探頭傳遞函數(shù))的情況下，可實現(xiàn)自適應(yīng)聚焦。聚焦處形成操控微粒的聲學(xué)勢阱，微粒在聲學(xué)勢阱附近會被捕獲。因此采用聲學(xué)時間反轉(zhuǎn)技術(shù)可在非均勻介質(zhì)中聚焦并操控微粒。所以，采用聲學(xué)時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的本發(fā)明克服了目前聲操控裝置不能在非均勻介質(zhì)內(nèi)任意路徑操控微粒的限制。采用該專利中提到的聲學(xué)時間反轉(zhuǎn)技術(shù)，并結(jié)合電子系統(tǒng)，實現(xiàn)在任意介質(zhì)(包括均勻介質(zhì)或非均勻介質(zhì))內(nèi)，在任意路徑上操控微粒。從而實現(xiàn)聲操控器件在諸如體內(nèi)定點給藥、生殖醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，具有重要的實用價值。

附圖說明

圖1是基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的系統(tǒng)內(nèi)的組件的連接示意圖。

圖2是基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的方法的流程圖。

圖3是基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的操控微粒系統(tǒng)接收信號的示意圖。

圖4是基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的操控微粒系統(tǒng)發(fā)射信號的示意圖。

圖5為聚焦點的聲壓力場圖。

圖6為基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的實驗裝置圖。

圖7為基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的實驗結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行說明。在下文所描述的本發(fā)明的具體實施例中，為了能更好地理解本發(fā)明而描述了一些很具體的技術(shù)特征，但顯而易見的是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，并不是所有的這些技術(shù)特征都是實現(xiàn)本發(fā)明的必要技術(shù)特征。下文所描述的本發(fā)明的一些具體實施例只是本發(fā)明的一些示例性的具體實施例，其不應(yīng)被視為對本發(fā)明的限制。另外，為了避免使本發(fā)明變得難以理解，對于一些公知的技術(shù)沒有進行描述。

圖1是基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的系統(tǒng)內(nèi)的組件的連接示意圖。標號101a-d表示圍成方形的4排陣列探頭，每排陣列探頭個數(shù)為22*22個。標號102表示信號接收與發(fā)射控制裝置，標號103表示上位機。4排陣列探頭各自和信號接收與發(fā)射控制裝置能通信地連接，信號接收與發(fā)射控制裝置進而與上位機能通信地連接。陣列探頭接收與發(fā)射聲波信號；信號接收與發(fā)射控制裝置處理和傳送來自陣列探頭接收和上位機發(fā)射的電子信號；上位機下發(fā)信號指令與處理來自所述信號接收與發(fā)射控制裝置傳回的控制信號。在另一個實施例中，陣列探頭為布置成六邊形的6排。在又一個實施例中，陣列探頭為布置成八邊形的8排。在又一實施例中，陣列探頭是弧形的，并且圍成圓形。

圖2是基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的方法的流程圖。在一種實施例中，該方法在非均勻介質(zhì)中進行，并且包括步驟201-205。在步驟201中，在非均勻介質(zhì)中放置物理點源，使所述物理點源主動發(fā)射聲波信號。在步驟202中，陣列探頭接收到來自由所述物理點源發(fā)射出并穿過所述非均勻介質(zhì)的所述聲波信號，且使所述聲波信號上傳到控制系統(tǒng)和上位機界面。在步驟203中，使所述上位機將接收到的所述聲波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理。在步驟204中，使探頭陣列發(fā)射經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后的所述聲波信號。并且，在步驟205中，監(jiān)控所述物理點源位置處微粒的運動軌跡。其中所述非均勻介質(zhì)為密度不同的介質(zhì)(可以理解為操控空間內(nèi)有障礙物、人體組織或膠狀液體等)，所述物理點源為小于波長的針式探頭，其發(fā)射的聲場近似為點源聲場。在另一實施例中，所述介質(zhì)為均勻介質(zhì)，即空氣。

在這兩種實施例中，都可以對微粒進行捕獲、操控。這是由于面陣列探頭發(fā)射的聲學(xué)信號會在聲源位置處聚焦，能形成聲學(xué)勢阱。在非均勻介質(zhì)中，任意地連續(xù)移動點源，探頭陣列連續(xù)不斷地接收信號，并把接收到的信號全部上傳到上位機上。上位機存儲信號后并對信號進行處理，把先接收到的信號后發(fā)射，后接收到的信號先發(fā)射。這樣聲波同樣會在非均勻介質(zhì)中移動聚焦，形成移動的聲學(xué)勢阱。因此，可以對微粒進行任意路徑的操控。

在另一實施例(未圖示)中，基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的方法中所使用的點源為虛擬點源，并且該方法包括以下步驟：(1)利用時域有限差分方法fdtd分別模擬所述虛擬點源在具有均勻和非均勻介質(zhì)的全空間中運動并模擬所述虛擬點源發(fā)出聲波信號；(2)模擬所述陣列探頭接收該聲波信號，并將該聲波信號輸入所述上位機中；(3)所述上位機將接收到的所述聲波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理；(4)使所述陣列探頭發(fā)射經(jīng)處理后的所述聲波信號；并且(5)使位于在虛擬點源初始位置的微粒沿著所述虛擬點源運動的軌跡運動。該實施例中所述的方法對于超聲體內(nèi)定點給藥且聲點源無法放置在介質(zhì)空間內(nèi)的情形特別有效，具有很強的實用性。

圖3是基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的操控微粒系統(tǒng)接收信號的示意圖。其中，標號301表示點源。標號302是從超聲陣列探頭中截取的一部分的示意圖。標號303是非均勻介質(zhì)(在另一實施例中為均勻介質(zhì))的一部分的示意圖。如圖所示，聲波信號從點源沿箭頭所示方向向四周發(fā)出，穿過非均勻介質(zhì)，并到達超聲陣列探頭。然后超聲陣列探頭將接收到的聲波信號發(fā)送至接收和發(fā)射控制裝置(未示出，參見圖1中的102)。接著，接收和發(fā)射控制裝置將聲波信號發(fā)送至上位機(未示出，參見圖1中的103)。

圖4是基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的操控微粒系統(tǒng)發(fā)射信號的示意圖。其中，標號401表示點源。標號402是從超聲陣列探頭中截取的一部分的示意圖。標號403是非均勻介質(zhì)的一部分的示意圖。如參照圖3所描述的，從點源發(fā)出的聲波信號經(jīng)由非均勻介質(zhì)、超聲陣列探頭、以及接收和發(fā)射控制裝置到達上位機。上位機將接收到的聲波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，即，將先接收到的信號后發(fā)射，后接收到的信號先發(fā)射。從上位機發(fā)射的信號沿與其接收信號的方向相反的方向傳送至聲波顆粒，即經(jīng)由接收和發(fā)射控制裝置、超聲陣列探頭、非均勻介質(zhì)并到達點源。在這期間，由于微粒發(fā)出的聲波同樣會在非均勻介質(zhì)(或均勻介質(zhì))中移動聚焦，因而可以結(jié)合電子系統(tǒng)(未示出)，實現(xiàn)在任意介質(zhì)(包括均勻介質(zhì)或非均勻介質(zhì))內(nèi)，在任意路徑上操控微粒。

圖5為聚焦點的聲壓力場圖。其為采用時間反轉(zhuǎn)技術(shù)，經(jīng)過數(shù)值計算模擬得到聚焦聲場。圖中的仿真結(jié)果，只使用了單排線陣列探頭，聲場從底部向上入射，聲場四周為吸收射邊界條件，圖中顏色的深淺代表聲場強度的大小，顏色越深，表示聲場越強。

圖6為基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)的實驗裝置圖。圖7為基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒的實驗結(jié)果圖。

結(jié)合圖5、6、7所示的結(jié)果，從理論與實驗角度驗證了本發(fā)明方案可行。實驗中，發(fā)明人采用4個兩兩相對的22*22二維面陣列探頭操控微粒，探頭的中心頻率是40khz。圖6(a)中有二維面陣列探頭，圖6(b)中表示信號接收與發(fā)射控制系統(tǒng)。首先在操控空間里(含非均勻介質(zhì))放置一個點聲源發(fā)射聲波，4個二維面陣列探頭接收到聲波信號以后，對聲波信號進行信號處理，然后對每個探頭接收到的信號進行時間反轉(zhuǎn)并發(fā)射處理過的信號，也就是先接收的信號后發(fā)射，后接收的信號先發(fā)射。最終會在聲源點處聚焦，形成聲學(xué)勢阱，捕獲微粒。若調(diào)節(jié)相位，可以在任意路徑上聚焦，形成聲學(xué)勢阱，實現(xiàn)對微粒在任意路徑上的操控。實驗結(jié)果如圖7所示。圖7(a)表示被捕獲的泡沫圓球懸浮在空氣中，并在相對于整個空間上方的位置；圖7(b)表示被捕獲的泡沫圓球懸浮在空氣中，并在相對于整個空間下方的位置。因此，實驗表明，本發(fā)明可以做到對泡沫圓球在全空間內(nèi)任意路徑上操控微粒。

應(yīng)注意，本發(fā)明所述的基于時間反轉(zhuǎn)技術(shù)操控微粒系統(tǒng)是指可以對聲波信號接收與發(fā)射調(diào)控的任意系統(tǒng)。操控微粒時用到的探頭共振頻率不限于40khz，可以根據(jù)具體條件與要求選擇需要微粒操控的任意頻率。所述操控微粒不限于泡沫球，可以是任意直徑、任意材料、任意形狀的微粒。陣列探頭具體陣元數(shù)目不限，可以是一維線陣列或者是二維面陣列，其形狀除平面外，也可以是圓弧形或者其他合適的形狀。

盡管已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了說明，但是存在落入本發(fā)明范圍之內(nèi)的改動、置換以及各種替代等同方案。還應(yīng)當(dāng)注意的是，存在多種實現(xiàn)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的可選方式。因此，意在將隨附的權(quán)利要求書解釋為包含落在本發(fā)明的主旨和范圍之內(nèi)的所有這些改動、置換以及各種替代等同方案。