基于二元声学超表面的Airy波束聚焦超声换能器设计与3D打印制备

本研究针对复杂解剖环境中超声成像与治疗存在的声窗限制问题，设计了一种集成二元声学超表面（EVA/红蜡环氧树脂）的3MHz Airy波束聚焦超声换能器。通过3D打印技术构建具有非线性相位梯度的超表面，结合石英玻璃阻抗匹配层，实现了宽带频率适应性聚焦（500kHz-3MHz）和穿透障碍物的自愈性能。声场扫描与消融实验证实其优异的聚焦能力，为骨骼遮挡下的肿瘤消融和成像提供了新方案。

　　

超声技术在医学成像和治疗中面临重大挑战：当遇到骨骼等障碍物时，传统超声束难以穿透且易发生畸变。这一"窄声窗效应"严重限制了胸腔等复杂解剖部位的肿瘤消融和成像效果。尽管声学超表面（Acoustic Metasurfaces）通过相位调制可操控波前传播，但现有Airy波束生成方案多停留在低频理论模拟阶段，且存在阻抗失配、加工复杂等问题。

为解决这些瓶颈，来自国家自然科学基金等项目支持的研究团队创新性地将二元超表面设计与3D打印技术结合。他们选用红蜡环氧树脂和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）构建具有非线性相位梯度的同心圆环结构，通过有限元仿真优化设计。为提升能量传输效率，引入石英玻璃作为压电陶瓷（PZT）与超表面间的阻抗匹配层。该成果发表于《Ultrasonics》，标志着高频医用Airy波束技术的重大突破。

关键技术包括：1）基于广义斯涅尔定律设计非线性相位梯度超表面；2）采用脉冲回波技术测量材料声学参数（声速、阻抗）；3）激光多普勒测振仪（Polytec PSV-500）验证换能器振动特性；4）声场扫描系统量化聚焦性能；5）离体组织消融实验评估治疗效果。

Metasurface design
通过3D打印制备的同心圆环超表面，利用EVA（声速1540m/s）与红蜡树脂（声速2400m/s）的声速差产生π/4相位差。有限元仿真显示该结构在1.5-4.5MHz范围内保持稳定聚焦，验证了宽带适应性。

Results and discussions
激光测振显示不同材料区域振动相位差精确符合设计值（0.04μs）。阻抗测试表明石英玻璃匹配层使能量传输效率提升37%。声场扫描证实生成的Airy波束具有特征性主瓣（焦距35mm，-6dB宽度0.8mm）和弯曲轨迹，穿透障碍物后自愈率达91%。离体猪肝消融实验产生直径3.2mm的凝固性坏死灶。

Conclusion
该研究首次实现3MHz高频Airy波束的临床级聚焦，其突破性体现在三方面：1）通过二元材料体系简化超表面加工；2）石英玻璃匹配层解决高频阻抗失配难题；3）实验验证自愈性能在复杂声环境中的实用性。这项技术为骨骼后方肿瘤的精准消融开辟了新途径，同时为开发具有障碍规避能力的超声成像系统奠定基础。