一种基于时间反转技术操控微粒的系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及声操控技术领域，尤其涉及一种基于时间反转技术操控微粒的系统与方法。本发明专利技术的目的在于实现在非均匀介质中的对微粒进行任意路径操控。为此，本发明专利技术提供了一种基于时间反转技术操控微粒的系统，其特征在于，其可以包括：阵列探头、信号接收与发射控制装置以及上位机，其中，所述阵列探头和所述信号接收与发射控制装置能通信地连接，所述信号接收与发射控制装置与所述上位机能通信地连接。由此本发明专利技术可以在诸如体内定点给药、生殖医学等领域内的应用，具有较高的实用价值。本发明专利技术还提供了一种使用时间反转技术操控微粒的方法。

A system and method for manipulating particles based on time reversal techniques

The invention relates to the field of sound manipulation technology, in particular to a system and method for controlling particles based on time reversal technology. The object of the present invention is to achieve arbitrary path manipulation of particles in an inhomogeneous medium. To this end, the invention provides a system of time reversal technique based on particle manipulation, which is characterized in that it can include: array probe, signal receiving and transmitting control device and the host computer, wherein, the probe array and the signal receiving and transmitting control device can communicate with the signal receiving device, and and the upper computer can communicate with emission control. Therefore, the invention can be applied in the fields such as in vivo fixed-point administration, reproductive medicine and the like, and has high practical value. The invention also provides a method for controlling particles using a time reversal technique.

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间反转技术操控微粒的系统与方法
本专利技术总体上涉及声操控
，尤其涉及一种基于时间反转技术操控微粒的系统与方法。
技术介绍
声波作为一种机械波，可与声场内的微粒进行动量与能量交换，产生声辐射力，操控微粒运动。该技术已经应用到物理、化学、生物学等多个领域，因其具有非接触、无损伤，生物兼容性好等优点，受到广泛关注。当前声操控技术及器件主要针对操控物体在密度、声速等声参数均一的均匀介质(水，空气)中，这是因为声在均匀介质中的传播和分布是精确可控的，因此可以合成需要的声场剖面。而复杂非均匀介质(如人体等)中密度、声速等参数的非均匀分布，引起复杂的声反射、散射、折射和吸收等过程，难以对声的传播和能量分布精确建模，因此利用当前声操控技术在非均匀介质中很难产生满足操控需要的聚焦场、驻波场、涡旋场等声场，故难以实现对非均介质内微粒的操控。这极大限制了声操控器件在诸如体内定点给药、生殖医学等领域内的应用。已知有利用一对超声探头产生驻波【参见Wu,J,Acoutiscaltweezers.J.Acoust.Soc.Am.1991.89(5),2140-2143.】或单阵元高频探头产生聚焦声场【参见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，还有利用制作出的二维面阵列探头通过在空气或水中精确调控相位达到在任意预设路径操控微粒的目的【参见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.】。在这些现有技术中，所涉及的操控微粒系统，虽然比已往技术有了一些进步，但在操控微粒时所处的介质也是均匀介质。而在非均匀介质内，操控微粒仍很难实现。这是由于非均匀介质对声波存在复杂的散射和折射，难以使换能器直接发射声场直接定点形成聚焦场、涡旋场等声场，难以产生操控微粒的声学势阱。这样极大地限制了声操控应用领域的范围。有鉴于此，需要开发一种新的技术来克服这些缺陷。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于时间反转技术操控微粒的系统与方法，以实现在非均匀介质中的任意路径对微粒进行操控。一方面，本专利技术提供了一种基于时间反转技术操控微粒的系统，其可以包括：阵列探头、点源、信号接收与发射控制装置以及上位机，其中，所述阵列探头由单阵元或多阵元组成，所述阵列探头和所述信号接收与发射控制装置能通信地连接，所述信号接收与发射控制装置与所述上位机能通信地连接，所述上位机能对其接收到的信号(优选声波信号)进行时间反转处理。另一方面，本专利技术还可以利用数值计算方法(如时域有限差分方法FDTD)模拟虚拟点源的信号在全空间中(均匀或非均匀介质)的传播，然后将虚拟探测点(探测阵列探头位置)接收到的声波信号进行时间反转(并行适当的信号处理)，输入至探测阵列探头，进行发射。这一方法尤其针对在如：超声体内定点给药，声点源无法放置在介质空间内的情形。优选，所述阵列探头用于接收与发射信号；所述信号接收与发射控制装置用于处理和传送来自所述阵列探头接收的信号和来自上位机发射的信号；并且所述上位机是用于处理来自所述信号接收与发射控制装置传回的信号以及发送信号。进一步优选，所述阵列探头用于接收与发射声波信号；所述信号接收与发射控制装置用于处理和传送来自所述阵列探头接收的声波信号和来自上位机发射的指令信号；并且所述上位机是用于处理来自所述信号接收与发射控制装置传回的控制信号以及发送指令信号。优选，所述阵列探头是一维线阵列或者是二维面阵列，可由至少一排或者更多排组成，本节验证选择4列换能器。此外，每排换能器阵列的点阵个数越多越好，这里选用22*22阵列的点阵换能器，所述阵列探头形状是平面形或者圆弧形。本专利技术还提供了一种使用时间反转技术操控微粒的方法，其可以包括以下步骤：使介质中的点源沿着预设的任意路径运动并发射声波信号；阵列探头接收来自由所述点源发射出并穿过所述非均匀介质的所述声波信号，且将所述声波信号依次传送到如上所述的信号接收与发射控制装置和上位机；所述上位机将接收到的所述声波信号进行时间反转处理；使所述阵列探头发射经处理后的所述声波信号；微粒将沿着预设的路径(点源运动的路径)运动。进而言之，一种使用时间反转技术操控微粒的方法可以包括以下步骤：使上位机接收来自点源的声波信号；所述上位机将接收到的所述声波信号进行时间反转处理；将经时间反转处理后的所述声波信号发送至阵列探头；使所述阵列探头向介质中发射经时间反转处理后的所述声波信号；并且使位于在所述点源的位置(优选点源的初始位置)的微粒沿着所述点源运动的轨迹运动。所述点源可以为物理点源，并且所述方法可以相应地包括以下步骤：使介质中的所述物理点源沿着微粒将运动经过的路径运动并发射声波信号；所述阵列探头接收来自由运动中的所述物理点源发射出并穿过所述非均匀介质的所述声波信号，且将所述声波信号依次传送到如上所述的信号接收与发射控制装置和上位机；所述上位机将接收到的所述声波信号进行时间反转处理；将经时间反转处理后的所述声波信号发送至阵列探头；使所述阵列探头向介质中发射经时间反转处理后的所述声波信号；并且使位于在所述物理点源的位置(优选物理点源的初始位置)的微粒沿着所述物理点源运动的轨迹运动。所述点源也可以为虚拟点源，并且所述方法可以相应地包括以下步骤：利用数值计算方法模拟所述虚拟点源在具有均匀或非均匀介质的全空间中运动并模拟所述虚拟点源发出声波信号；模拟所述阵列探头接收该声波信号，并将该声波信号输入所述上位机中；所述上位机将接收到的所述声波信号进行时间反转处理；使所述阵列探头发射经处理后的所述声波信号；并且使位于在所述虚拟点源的位置(优选虚拟点源的初始位置)的微粒沿着所述虚拟点源运动的轨迹运动。优选，在所述方法中，所述时间反转处理为将先接收到的所述声波信号后发射，而将后接收到的所述声波信号先发射。优选，在所述方法中，在所述阵列探头发射的所述声波信号在所述点源位置处聚焦并形成声学势阱时，对所述微粒进行捕获、操控。优选，在所述方法中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时间反转技术操控微粒的系统，其特征在于包括：阵列探头，点源，信号接收与发射控制装置，以及上位机，其能对所接收到的信号进行时间反转处理,其中，所述阵列探头和所述信号接收与发射控制装置能通信地连接，所述信号接收与发射控制装置与所述上位机能通信地连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于时间反转技术操控微粒的系统，其特征在于包括：阵列探头，点源，信号接收与发射控制装置，以及上位机，其能对所接收到的信号进行时间反转处理,其中，所述阵列探头和所述信号接收与发射控制装置能通信地连接，所述信号接收与发射控制装置与所述上位机能通信地连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阵列探头用于接收与发射信号；所述信号接收与发射控制装置用于处理和传送来自所述阵列探头接收的信号和来自上位机发射的信号；并且所述上位机是用于处理来自所述信号接收与发射控制装置传回的信号以及发送信号。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述阵列探头用于接收与发射声波信号；所述信号接收与发射控制装置用于处理和传送来自所述阵列探头接收的声波信号和来自上位机发射的指令信号；并且所述上位机是用于处理来自所述信号接收与发射控制装置传回的控制信号以及发送指令信号。4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，所述阵列探头是一维线阵列或者是二维面阵列，由至少一排阵元或者更多个阵元组成，所述阵列探头组成形状为平面或者圆弧形。5.一种使用时间反转技术操控微粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：上位机接收来自在介质中运动的点源的声波信号；所述上位机将接收到的所述声波信号进行时间反转处理；将经时间反转处理后的所述声波...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡飞燕，李飞，王辰，邱维宝，孟龙，王丛知，肖杨，郑海荣，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44