研究背景传统的超声理疗设备主要利用较低的超声波热效应,对人体组织进行“加热”从而达到缓解疼痛,解除疲劳,促进血液循环的目的,没有考虑到兴奋在神经纤维的传导过程。本研究将超声与神经传导阻滞相联系,通过分析兴奋在神经纤维的传导过程,并结合钾钠离子通道的阻滞激励,得出点状排布的多焦点超声换能器有助于改善神经传导阻滞。在超声的实际运用中实现点状分布的多焦点声场的技术有相控阵换能器和声透镜换能器。超声相控阵换能器的成本高,制作工艺复杂,需要大量的阵元才可以使换能器聚焦在足够的深度取得良好的聚焦效果。而超声透镜相对于相控阵列的主要优点是其易于构建且价格便宜,并且更适用于超声理疗的家用场景模式,因此可采取压电陶瓷组合声透镜的方式得到双焦点声场分布,然后利用两个焦点之间的干涉产生旁瓣以实现点状排布的多焦点声场。目的基于对兴奋在神经纤维上传导的分析,并结合钾钠离子通道的阻滞激励,在对神经元进行超声刺激时,需要点状排布的多焦点声场分布。因此本研究提出并基本实现了三种点状排布的多焦点声场的聚焦超声换能器设计,分别为平面压电陶瓷组合凹声透镜换能器、凹球壳自聚焦组合锥形声透镜换能器和凹球壳自聚焦组合平凸声透镜换能器,以期望在超声理疗作用神经传导阻滞时提供理论参考。方法1.通过对神经纤维上兴奋的传导过程以及神经阻滞发生机理的讨论,找到了动作电位与钾钠离子通道失活的理论联系,随后建立对应的物理模型并分析需要何种方式才能改善神经阻滞的状态,最后找出该方式的具体实施手段。2.基于点状分布的多焦点声场的产生原理,提出了一种平面压电陶瓷组合凹声透镜换能器,设计思想主要为将凹声透镜划分为两个球面,并将其中一个球面沿着纵轴水平上移,达到焦平面双焦点换能器的设计目标,并通过两个焦点之间的干涉产生旁瓣实现点状排布的多焦点声场。利用瑞利积分的计算思想对此换能器进行了理论上的声场计算,通过matlab模拟了其声场分布,并选取了合适的声场分布的换能器参数进行了机械加工,最后对其进行了水听器声场检测和结果讨论分析。3.第二种凹球壳自聚焦组合锥形声透镜的设计思想来源于干涉理论,超声在经过凹球壳压电陶瓷片之后会聚焦在一个点,经过锥形透镜之后,经过折射后被分为两个波面,互为相干声源。根据干涉理论,点声源产生的两个相干声源经过锥形透镜后出来的声波面会在聚焦区域叠加,干涉形成点状排布的多焦点声场分布。之后对其进行声场模拟仿真计算,选取了合适的换能器参数进行了机械加工,最后对其进行了水听器检测和结果讨论分析。4.在超声的实际传播过程中,超声波会在穿过不同介质时,由于声阻抗的不同,会使得超声波在两个介质之间的界面反射和透射。基于这一特征,声透镜的输出界面不应该简单看成只有透射而没有反射的纯透镜模型。类比光波在谐振腔中的传输过程,可以将声透镜看作是在声场中多次透射与反射的声谐振腔模型,在声轴线上实现点状排布的多焦点声场。理论上根据传输矩阵计算出了焦点在声轴线的距离分布,选取了合适的换能器参数进行了机械加工,最后对其进行了水听器检测和结果讨论分析。结果1.相较于声、磁、光等神经元刺激方式,超声刺激以非侵入性、较高的刺激深度和较高的空间分辨率而获得研究者们的青睐。在时间上,钾钠离子通道的反转时间大约在毫秒级左右,超声可以产生对应毫秒级的超声脉冲,有助于激活神经传导阻滞的状态。在空间上,超声换能器产生的点状排布的多焦点聚焦区域,其声辐射力可以使神经元纤维较非聚焦区产生相对位移,并且点状排布的多焦点声场可以得到更大的神经兴奋区域和更快的神经传导速度,在超声理疗上有助于激活神经传导阻滞的状态。因此,在刺激神经纤维时,点状排布的多焦点聚焦超声刺激是我们所需要的。2.经过瑞利积分计算得到的双焦点声透镜换能器声场的积分表达式,输入到matlab仿真软件进行多次仿真结果比较,选取了其中一组最佳的双透镜换能器的参数,其中大圆口径为95mm,小圆口径为76mm,曲率半径为55mm,两个焦点之间间距为4mm。仿真结果可以看见明显的双峰,且声学焦域形状较好,聚焦效果较好。经过机械加工之后进行压电陶瓷水听器检测,尽管该双焦点换能器的第二焦点峰值较低,但是也基本实现了焦平面双焦点换能器的设计,并可以通过焦点之间的干涉形成旁瓣以达到点状的多焦点声场分布。3.凹球壳自聚焦组合锥形声透镜焦平面换能器的声场计算方法依旧采取了瑞利积分表达式,代入了不同的坐标系进行了多次仿真结果比较,选取的换能器参数分布为口径为58mm,球壳内径为34mm,外径为36mm,换能器到透镜平面的距离为8mm。仿真结果可以看见明显的双峰,且声学焦域形状较好,聚焦效果较好。经过机械加工之后进行压电陶瓷水听器检测的声场分布较好,实现了焦平面双焦点换能器的设计,并可以通过焦点之间的干涉形成旁瓣以达到点状的多焦点声场分布。4.凹球壳自聚焦组合平凸声透镜换能器的声场计算方法结合了几何声学法与瑞利积分表达式,理论上计算会在距换能器输出面120mm和68mm处产生声轴线上的两个焦点,经过水听器的测量发现其声场分布较为理想,基本实现了声轴线双焦点换能器的设计,并可以通过焦点之间的干涉形成旁瓣以达到点状的多焦点声场分布。结论基于对兴奋在神经纤维上传导,对神经传导阻滞及发生机制进行了物理建模分析,需要点状排布的多焦点声场分布。成功设计并制作了三种点状排布的多焦点声场的聚焦超声换能器设计,分别为平面压电陶瓷组合凹声透镜换能器、凹球壳自聚焦组合锥形声透镜换能器和凹球壳自聚焦组合平凸声透镜换能器,其声场分布与理论符合较好,以期望在超声理疗作用神经传导阻滞时提供理论参考。