輻射力

輻射力從總體上表徵物體發射輻射能本領的大小。可將輻射力超聲波俘獲技術應用到微機電系統中，以達到對微構件進行無損、非接觸遙操縱的目的，開展微構件在超聲波場中所受輻射力的理論研究。

微機電系統作為人們在微觀領域認識和改造客觀世界的一種科技，一直以來對微米級至納米級尺度下的微構件實施有效操縱有著強烈的需求。特別是隨著微機電系統領域從原來注重單元零部件的生產向混和系統的集成方向高速發展，微構件操縱技術更加體現出其重要性和迫切性，探索新理論、新機理並發展這種技術，已成為微機電系統這個新興技術領域內一個最基礎、最關鍵的熱點研究課題之一。

對於微構件的操縱技術，研究尚處於探索階段，主要是針對微構件的抓取、傳輸、釋放等基本過程的操縱機理及裝置而展開，包括以下幾個方面：

(1)利用壓電陶瓷將宏觀裝配操縱技術延伸到微觀領域中，以尺寸上的微型化和動作上的精確化進行操縱。這種操縱技術具有較大的進給力和較好的空間靈活性，但因壓電陶瓷受激發后的形變數較小，導致操縱體構件的空間行程範圍狹小，而增多壓電陶瓷以圖增大空問行程的做法又引起累積誤差。同時由於這種方式是直接接觸式操縱，不可避免地受到空間障礙的限制，並伴有靜電力的不良影響。

(2)採用力的尺寸效應發展的新型微構件操縱技術。在微觀領域內，表面張力、粘附力、靜電力等面積力代替了重力、浮力、慣性力等體積力成為主導力，因而可利用上述面積力作為對微構件的操縱力，從而發展了一些新型的微構件俘獲技術。但是，該技術還僅停留在相關操縱力可控性的研究上。

(3)應用光輻射力實現對微構件非接觸遙操縱。這種技術利用光的力學特性，對微米級以下的微小物體使用激光束產生的光場進行俘獲。實踐證明該技術可以實現對微生物、染色體和細胞等的移動、旋轉及空問懸浮等非接觸操縱。但是，由於光的特有屬性，該技術不能在非透光環境或非透光物體的俘獲中應用。

基於以上背景，結合超聲波所具有的良好特性和力學性能，本文開展了不同超聲波場中微構件所受超聲輻射力的理論研究和分析，以期將超聲波力學特性應用到微機電系統中，實現對微構件的無損、非接觸遙操縱。

對於微米至納米級尺寸的微構件，其空間體積遠遠小於超聲波波長，因此，可以忽略其形狀因素而簡化為一個球形體。設定微構件的材料特性各向同性，其受力產生形變各向均勻，所處環境是連續的、沒有黏性的理想介質，並且整個受力過程絕熱，同時，超聲波為小振幅波，環境溫度為室溫。

超聲駐波聲場與微構件所受輻射力的關係如圖1所示。在聲波場的波峰、波谷和駐點，微構件所受輻射力均為0。聲場中A和B處的輻射力的正負符號不同是因為輻射力的方向是不同的，但都指向就近的聲場駐點，即聲場中任意位置的微構件都有向就近聲場駐點運動的趨勢。

以上對行波場中微構件所受輻射力的理論推導是在距離波源較遠的遠場建立的，而遠場波的能量較小，不適用於實際俘獲過程。為了能更好地實現俘獲，需要將波源靠近微構件，使俘獲過程發生在近場，而近場為球面場。

在純水介質中，r=1 μm的鋼微構件分別處於f=1.75 MHz，A=1×10 m的超聲球面場和駐波場中，其所受輻射力如圖2。從圖2可以看出，超聲球面場中的微構件所受輻射力在聲軸上隨距離增大急劇衰減，很難加以實際應用。駐波場中微構件所受輻射力在聲軸方向呈現周期性，有較強的規律性和良好的可控性，因而下面將對利用超聲駐波場俘獲微構件進行研究。

當微構件體積較大或密度較大時，只要適當調節超聲波頻率和幅值便可增大輻射力，實現俘獲。由於超聲波俘獲是非接觸的遙操縱，可以克服接觸式俘獲技術中俘獲器尺寸的限制，因此，能夠適合尺寸在微米級以下的俘獲對象的應用。

各種微構件材料的可壓縮性是不同的，並對輻射力產生了不可忽略的影響。微構件所受超聲輻射力與很多因素有關。首先，超聲輻射力作為一種面積力受到微構件尺寸的影響。聚乙烯微構件所受輻射力與其半徑盤的關係如圖3所示，這是在純水環境中不同半徑聚乙烯微構件在f=1.75 MHz，A=1×10 m的超聲場中所受到輻射力曲線。從中可以看出，駐波場中微構件所受輻射力在聲軸方向上呈現出周期性，不同尺寸微構件在相同位置受力值的符號是相同的，即相同位置處微構件受力的方向相同。微構件受力除超聲駐波場的駐點、波峰和波谷為。其他位置輻射力值隨距這些點距離增大而增大，並同構件的體積成正比關係。

其次，超聲波的頻率對輻射力也產生影響．圖4為在純水環境中a=1 μm的聚乙烯微構件在A=1×10m 、不同頻率的超聲場中的受力圖。可以看到輻射力在聲軸方向呈現周期性，相同空間位置處的輻射力的大小和方向都不同。因為在聲軸上的聲場駐點位置微構件所受輻射力相等且恆為0，駐點周圍輻射力均指向駐點，而微構件就陷落在這種勢能最低最穩定的環境中，有人稱其為聲勢井，Matlab模擬結果如圖5所示。因為不同的超聲波頻率產生的駐點排布密度不同，所以可以通過變化超聲波頻率對駐點位置進行調整，從而達到對聲勢井內俘獲的微構件進行搬運的目的。由於頻率越高的超聲波在相同的空間距離上駐點的數目越多、排布越密，可以利用和調節較高頻率的超聲波實現對微構件較高尺寸精度的操縱。

再次，介質環境和微構件的密度有時相差很大，因此這兩者的密度比值對微構件輻射力有很大的影響。通過模擬得到輻射力和該比值的關係為圖6和圖7。圖6是在純水中依次選用a=1 μm的聚乙烯、有機玻璃、石英、鋁、鋼、鑄鐵、銅、鉛等材料的微構件密度比值和輻射力的關係。圖8為a=1 μm的聚乙烯微構件在汽油、乙醇、蓖麻油、純水中密度比值與輻射力的關係。從圖6可以看出隨著微構件材料密度的增大，其受到的輻射力也相應增大，但是當密度比值增大到一定條件(當微構件材料與純水密度比值>7.8)時，微構件所受的輻射力大小相差不大，即此時密度比值對輻射力的影響程度變得很小。從圖7也可看到類似的情況，但比值範圍發生了變化。

聲脈衝輻射力成像(acoustic radiation force impulse，ARFI)技術利用短時程(<1 s)、聚焦聲脈衝作用於組織ROI，使其產生瞬時、微米級位移(1～10 μm)，同時發射聲脈衝序列探測組織位移。位移大小取決於組織彈性，因此AFRI技術可用以評價組織彈性。ARFI技術包括聲觸診組織成像(virtual touchtissue imaging，VTI)技術和聲觸診組織定量(virtual touch tissue quantification，VTQ)技術。聲脈衝輻射力使組織產生縱向壓縮及橫向振動，縱向位移變化在一定程度上與組織彈性相關，以縱向位移為基礎進行彈性成像稱為VTI，可直觀反映組織彈性以，黑白表示組織相對硬度；橫向振動以剪切波方式向周邊傳播，利用剪切波相鄰波峰時間差及波長可計算剪切波速度(shear w ave velocity，SWV)，與組織彈性的平方根成正比，可間接反映組織彈性。VTQ技術通過SWV對組織彈性進行定量評價，SWV以“m/s”為單位。

彈性是生物組織的重要特性。不同組織結構以及相同組織結構在不同病理狀態下彈性不同，這是ARFI技術的理論基礎。ARFI技術的臨床應用廣泛，涉及肝、膽、腎、脾、胰、神經、心血管、前列腺病變以及射頻消融治療和腫瘤抗血管生成治療的療效評價等。

AFRI技術對人體的影響包括熱力學作用及空化效應。國外學者評價了ARFI技術在腹部應用時的熱力學作用特點：聲脈衝時間短(<1 ms)，產生能量少，組織升溫幅度小於0.7℃，在美國食品藥品監督管理局(FDA)要求範圍內(1.0℃)；空化效應常見於低頻、高機械指數(>1.9)超聲波的應用過程，ARFI為高頻聚焦脈衝，機械指數<1.9，產生空化效應的可能性較低，但使用時必須低於FDA所規定的聲強及聲功率等指標。

聲衰減使ARFI技術受到限制，VTI不能檢測到深度>10 cm的組織位移變化，VTQ技術只能準確測量深度<6 cm的組織。病灶的順應性也是ARFI技術的限制因素，檢查時須要求患者屏氣或盡量使所測組織保持靜止狀態；對於年齡大、術后早期或身體條件差者，成像質量及所測值的準確度較差。