超透镜技术在超声应用中的突破性进展

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引言

超声波在医学成像、水下通信等领域发挥着关键作用。然而，透过像人体颅骨这样的异常层进行超声波传输一直是一个技术难点。软质超透镜（SML）技术的出现为解决这一问题提供了全新的解决方案[1]。

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0 u, X1 Y, T( R# e图1：软质超透镜的应用场景展示：(A) 脑部肿瘤治疗中的医用超声；(B) 水下机器人声呐测距；(C) 城市管道检测。该图展示了软质超透镜技术在不同领域的应用潜力。
工作原理与设计
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" C, W3 O6 @3 t) g7 [! u软质超透镜通过精密的相位编码方法实现超声波穿透非均匀异常层。该技术采用由微米级钨颗粒分散在硅橡胶基体中构成的可调节超透镜，形成具有精确可控声学特性的材料。这种复合结构在50 kHz至0.4 MHz的频率范围内实现了有效的声波传输。

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: f$ m) H5 k! @$ b6 i图2：任意形状散射消除理论示意图，包括：(A) 相位累积示意图；(B) 超透镜与声全息图之间的相位剖面对比；(C) 相位变化率展示了超透镜与声全息图之间的一致性。
材料组成与制造工艺
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0 J7 b/ A2 C* T6 C软质超透镜的研发涉及精确的材料选择和制造技术。核心组件由分散在硅橡胶基质中的微米级钨颗粒组成。通过调节钨颗粒的浓度，可以精确控制声学特性。
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图3：软质超透镜的设计与制造过程，展示了：(A) 硅橡胶中钨微粒的扫描电镜图像；(B) 实测与理论声学折射率对比；(C) 离散层结构示意图；(D) 声速和密度分布测量结果。
临床应用与测试
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软质超透镜技术在医用超声领域，特别是经颅手术中显示出显著优势。研究结果表明，在传统上难以实现的颅骨超声波聚焦方面取得了重大突破。

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. N5 G5 r2 z4 _5 f& b5 Q7 s4 G图4：基于CT的经颅超声聚焦实验装置，包括：(A) 超声信号参数；(B-D) 人体颅骨模型CT扫描截面；(E-J) 不同时间点的瞬态传播图。
性能表现
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实验结果显示超声传输和聚焦能力有显著提升。在人体颅骨模型测试中，与传统非聚焦换能器相比，软质超透镜在焦点处实现了9.3 dB的强度增益。这种性能提升为医疗治疗和诊断程序带来新的发展方向。
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图5：经颅超声聚焦应用实验结果，包括：(A) 实验装置照片；(B) 3D打印颅骨模型；(C-D) 有无软质超透镜的声波传输模式对比；(E) 统计声压级增益；(F) 压力级测量对比。
1 k; \4 H8 H0 g6 ^8 N实际应用验证
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" S  a+ X. M, w1 [( S1 F! g通过大量体外实验验证了软质超透镜技术的实用性。这些实验证实了该技术在穿透复杂生物结构的同时，能够在宽频带范围内保持良好的聚焦能力。
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) g9 L3 k6 h% |  t- v3 r6 |) n2 v图6：体外经颅超声聚焦应用展示：(A) 真实人体颅骨实验装置；(B) 颅骨结构细节；(C-F) 声波传输模式对比，显示了软质超透镜改善的聚焦效果。
* |& l$ x9 m8 b; H发展展望
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- \0 H- H4 W/ M软质超透镜技术在超声波操控领域取得了进展。在保持高传输效率的同时，实现了通过异常层的宽带聚焦，这对医学应用特别重要。未来研究将进一步拓展在脑部深层刺激、无损检测和高分辨率超声成像等领域的应用。
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8 l2 [* A8 m# b3 `2 A  b. |3 }, y这项创新技术展现了软材料、超材料和梯度折射率原理的有机结合，为超声波精确操控提供了新思路。随着研究的深入，软质超透镜技术将在更多领域发挥作用。
参考文献

[1] E. Dong, T. Zhang, J. Zhang, X. Su, S. Qu, X. Ye, Z. Gao, C. Gao, J. Hui, Z. Wang, N. X. Fang, and Y. Zhang, "Soft Metalens for Broadband Ultrasonic Focusing through Aberration Layers," Nature Communications, vol. 16, no. 308, pp. 1-13, Jan. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-55022-2.
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