专利名称：一种在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法
一种在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法技术领域
本发明属于空化微泡的尺寸检测技术领域，涉及一种空化微泡群在溶液中消散过程对对微泡群尺寸分布进行估计的方法。
背景技术：
空化是指液体中的空化核，在某些能量作用形式下(如超声、微波、激光等)所表现出的振荡、膨胀、收缩以至内爆等一系列动力学过程。其中空化核的存在是液体空化的先决条件，它包括1.液体中已溶解的气体分子(如水中溶解的空气)；2.前一次空化后剩余的空化核；3.液体中粒子的表面粗糙程度；4.为降低空化阈值人为加入的空化核(如生物医学超声治疗中加入的可相变纳米微粒子)。水利机械、水翼、舵、水中兵器等都会遇到空化问题，致使材料剥蚀，机械效率降低，并产生振动和噪声。但在生物医学、水利钻孔和工业清洗作业中，也可发挥空化的优点。
在上述空化过程中产生的空化微泡的尺寸被视为衡量空化反应场的重要参数之一，因此，研究空化微泡的尺寸在空化基础研究中具有很重要的价值。然而空化过程的随机性导致了空化微泡尺寸较难测定，已有研究表明国内外学者大多通过光学方法在透明物质中研究了空化微泡尺寸的估计方法，但是却从根本上限制了这些方法对非透明物体内产生的空化微泡的尺寸分布的测定。发明内容
本发明解决的问题在于提供一种在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法通过声学检测手段对在非透明物质内产生的空化微泡群的尺寸分布进行估计。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，包括以下步骤:
I)利用源能量在溶液中产生空化微泡，在源能量停止作用的同时，通过超声诊断仪监控空化微泡群的消散过程，获取溶液中微泡群的背向散射强度随时间变化的信息，绘制时间强度曲线，其中超声诊断仪的检测换能器采用平面波发射接收方式来获取信息；
2)根据微泡的半径随时间的变化关系，得到初始半径条件下微泡的半径-时间关系，获得给定初始半径的微泡完全消散的时间；
3)在时间强度曲线的幅度与感兴区域中的微泡浓度成线性关系的前提下，步骤I)获取的微泡群的时间强度曲线表征了空化微泡群的浓度，时间强度曲线中其每一段幅度的降低是由于某些尺寸的微泡数量的减少导致的，而该部分减少的微泡的尺寸由步骤2)获得的微泡完全消散时间所决定；通过微泡群的时间强度曲线、微泡完全消散时间估计得到微泡群在其消散初始时刻的尺寸分布，即源能量停止作用时刻产生的空化泡群的尺寸分布。
所述的源能量为超声、微波、激光中的一种或几种，源能量以一定强度一定时间作用于溶液，在溶液中产生空化微泡群。
所述的检测换能器为单阵元换能器、一维线阵换能器或二维面阵换能器。
所述在获取时间强度曲线时采用如下时序控制:
I)检测换能器在未经源能量辐照过的溶液中对背景基准信号进行采集；
2)源能量以一定时间一定能量对溶液进行辐射，在能量集中区域产生空化微泡；
3)超声诊断仪的检测换能器在源能量停止作用后，即刻开始对空化微泡群进行整体监控；超声诊断仪的监控在空间上包含整个空间变化的微泡群，在时间上涵盖空化微泡群的整个消散过程。
所述获取时间强度曲线是采用如下方法:
I)将超声诊断仪整个监控过程得到的数据按时间提取为N帧射频数据从非基准背景信号的第一帧开始，读出检测换能器在采集深度上的各点数据；
2 )将一帧内的所有数据进行滤波以滤除直流信号，再将滤波后的数据与基准背景信号进行解相关，去除系统稳态电噪声，突显空化微泡背向散射信号；
3)将所有数据点的平方相加，得到这一帧空化微泡群的背向散射强度；此后逐帧循环计算，得到监控体积内空化微泡群的背向散射强度随时间的变化，绘制时间强度曲线。
对于二维面阵换能器，一帧指的是二维面阵换能器在一次平面波发射接收后得到的三维数组组成的体数据帧。
对于单一气体系统，通过解单一气体系统的消散方程得到微泡的半径随时间的变化关系，得到在一定初始半径条件下微泡的半径-时间关系，由此得到某给定初始半径为Rtl的微泡的完全消散时间；
所述单一气体系统的消散方程为:
权利要求
1.一种在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)利用源能量在溶液中产生空化微泡，在源能量停止作用的同时，通过超声诊断仪监控空化微泡群的消散过程，获取溶液中微泡群的背向散射强度随时间变化的信息，绘制时间强度曲线，其中超声诊断仪的检测换能器采用平面波发射接收方式来获取信息； 2)根据微泡的半径随时间的变化关系，得到初始半径条件下微泡的半径-时间关系，获得给定初始半径的微泡完全消散的时间； 3)在时间强度曲线的幅度与感兴区域中的微泡浓度成线性关系的前提下，步骤I)获取的微泡群的时间强度曲线表征了空化微泡群的浓度，时间强度曲线中其每一段幅度的降低是由于某些尺寸的微泡数量的减少导致的，而该部分减少的微泡的尺寸由步骤2)获得的微泡完全消散时间所决定；通过微泡群的时间强度曲线、微泡完全消散时间估计得到微泡群在其消散初始时刻的尺寸分布，即源能量停止作用时刻产生的空化泡群的尺寸分布。
2.如权利要求1所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，所述的源能量为超声、微波、激光中的一种或几种，源能量以一定强度一定时间作用于溶液，在溶液中产生空化微泡群。
3.如权利要求1所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，所述的检测换能器为单阵元换能器、一维线阵换能器或二维面阵换能器。
4.如权利要求1所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，在获取时间强度曲线时采用如下时序控制: 1)检测换能器在未经源能量辐照过的溶液中对背景基准信号进行采集； 2)源能量以一定时间一定能量对溶液进行辐射，在能量集中区域产生空化微泡； 3)超声诊断仪的检测换能器在源能量停止作用后，即刻开始对空化微泡群进行整体监控；超声诊断仪的监控在空间上包含整个空间变化的微泡群，在时间上涵盖空化微泡群的整个消散过程。
5.如权利要求4所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，获取时间强度曲线是采用如下方法: 1)将超声诊断仪整个监控过程得到的数据按时间提取为N帧射频数据从非基准背景信号的第一帧开始，读出检测换能器在采集深度上的各点数据； 2)将一帧内的所有数据进行滤波以滤除直流信号，再将滤波后的数据与基准背景信号进行解相关，去除系统稳态电噪声，突显空化微泡背向散射信号； 3)将所有数据点的平方相加，得到这一帧空化微泡群的背向散射强度；此后逐帧循环计算，得到监控体积内空化微泡群的背向散射强度随时间的变化，绘制时间强度曲线。
6.如权利要求5所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，对于二维面阵换能器，一帧指的是二维面阵换能器在一次平面波发射接收后得到的三维数组组成的体数据帧。
7.如权利要求1所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，对于单一气体系统，通过解单一气体系统的消散方程得到微泡的半径随时间的变化关系，得到在一定初始半径条件下微 泡的半径-时间关系，由此得到某给定初始半径为R0的微泡的完全消散时间；
8.如权利要求1所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，当溶液中溶解的气体与空化微泡中包含的气体为两种气体时，通过解由两种单一气体系统的消散方程及多气体分量的微泡在溶液中的平衡方程组成的微分方程组，得到在某给定初始半径及消散初始时微泡中两种气体体积比等初始条件下多气体分量微泡的完全消散时间； 考虑两种气体的对流扩散，用以下三个方程表示:
9.如权利要求1所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，微泡群在其消散初始时刻的尺寸分布的估计为: 从h至t2时间内时间强度曲线的幅度降低了 x%，则x%的微泡分布于初始半径为Rl至R2的范围内，而Rl和R2的计算分别由h和t2代入气体消散方程得到；将时间强度曲线上整个监控时间细分，就得到相应的半径细分后的微泡尺寸分布。
10.如权利要求1所述的在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，其特征在于，在时间强度曲线的时间轴上寻找各个初始半径微泡完全消散的时间点，然后在时间强度曲线上寻找这些时间点所对应的曲线幅度，并将时间强度曲线上相邻两完全消散时间点上的幅度相减，得到微 泡群的初始半径分布图。
全文摘要
本发明公开了一种在溶液中消散过程对微泡群尺寸分布进行估计的方法，通过诊断超声仪上二维面阵换能器以平面波发射接收方式获取溶液中源能量辐照体积内微泡群的背向散射强度随时间变化的信息，即时间强度曲线(TIC)。通过获取的微泡群消散信息，即时间强度曲线(TIC)及计算得到的某一初始半径微泡的完全消散时间，联合得到空化微泡群消散初始时刻的尺寸分布，也即源能量停止作用时产生的空化微泡群的尺寸分布。本发明实现了以某种能量作用形式(如超声、微波、激光等)或这些能量形式的联合作用在非透明物质内产生的空化微泡群消散过程对微泡群尺寸分布的估计。
文档编号G01N15/02GK103175761SQ201310079838
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月13日 优先权日2013年3月13日
发明者万明习, 徐姗姗 申请人:西安交通大学