全息声学镊子：体外声波去除肾结石

　　随着具有更多相位可寻址换能器的超声波阵列的发展，这里展示的技术确实可以带来一种革命性的无创去除肾结石的方法。

　　众所周知，超声波用于医学成像，并且在高强度下用作治疗。一种可能不太为人所知的用途是作为一种非侵入性地捕获和操纵流体中的粒子的方法。在 PNAS 的论文中，Ghanem 等人。(1) 演示如何小心地控制来自多换能器超声波阵列的声场，以捕获和移动活猪膀胱中的毫米级颗粒。这项工作的动机是将其用作一种通过无创手术去除小肾结石的方法。

　　该设备运行的关键部件是一个 256 元件的圆形聚焦超声阵列，工作频率为 1.5 MHz。通过独立控制从该阵列中的元件发出的声音的相位，可以产生复杂且动态变化的干涉图案，其中可以捕获和操纵小颗粒。该方法的一个关键创新是声涡流束 (2) 的产生和应用，它允许从单个阵列中操纵粒子，并且其尺寸大于所使用的超声波的波长。在声驻波的节点中捕获粒子的能力是众所周知的，可以追溯到昆特在 19 世纪的原始工作。然而，尽管有这个早期的证明，但在戈尔科夫 (5) 和布鲁斯 (6) 之前，包括瑞利勋爵 (3) 和布里渊 (4) 在内的备受尊敬的科学家花了几十年的时间和大量的工作，继金 (7) 的工作之后) 以及 Yosioka 和 Kawasima (8) 能够发展出一个通用理论，用于在声驻波场中捕获球形可压缩球体。已经开发了许多使用该原理的简单设备来捕获和悬浮空气和水中的小颗粒（例如，参考文献 9-11）。

　　在这些设备中，场通常由谐振系统中的超声波发射器/反射器组合或与相对的超声波换能器一起产生。在后一种情况下，如果换能器是非反射的（带有防反射四分之一波涂层或在共振下精确操作）节点的位置，因此可以通过动态改变两者之间的相位差来移动被困在其中的粒子对面的换能器。该原理可以通过成对的正交换能器进行扩展，以在二维和三维中产生俘获。然而，Gorkov 理论的一个重要约束（通常被视为一种限制）是被捕获粒子的半径 r 必须远小于声音的波长 λ。在水中 1.5 MHz 时，λ = 1 mm，因此粒径的限制为几百微米。虽然简单明了，但对置换能器的使用对于医疗应用是不切实际的。相比之下，单个弯曲的多元件圆形阵列可以产生驻波场，其焦点由其曲率决定，并且不需要反射器或相对的换能器。

　　然而，尽管当元件同相驱动时它可以用来产生聚焦超声，但它不会产生适合捕获或操纵粒子的声场。最近，Marzo 等人。(12) 展示了如何通过仔细控制由单个元件发射的超声波的相对相位，由多元件阵列产生不同形状的陷阱（双胞胎、瓶子和涡流）。此外，取消了 r λ 的限制，从而可以捕获和操纵具有 r λ 的粒子。在 PNAS 的论文中，Ghanem 等人。(1) 已使用此原理通过其换能器阵列产生涡流束，并展示了在理想条件下和活猪体内捕获和操纵毫米级粒子的过程。涡流束是通过将圆形阵列分成不同段中的换能器组来生成的，每个换能器可以用不同的相位驱动。当相邻段以连续的相位变化被驱动时，会产生螺旋波前（涡流），使得换能器的圆周电路发生 2πM 的总相位变化（图 1）。这里 M 是一个整数 {..., -2, -1, 0, 1, 2, ...} 定义了所谓的发射拓扑电荷。M = 0 对应于所有换能器同相的情况，负值和正值对应于产生的螺旋波前的顺时针和逆时针旋转。当 M ≠ 0 时，沿换能器轴存在相位不连续性，因此沿这条线的声场中的振幅始终为零。

　　图。1。分段超声换能器的拓扑电荷表示。当 M = 0 时，换能器的发射没有相位差。对于整数 M ≠ 0，当沿换能器周围的圆周路径行进时，总相位变化为 2πM，从而产生螺旋波前。M 的正值和负值引起螺旋波前的顺时针或逆时针旋转。可以看到阵列中心的相位不连续性。

　　尽管对涡旋光束中的俘获的完整理论理解是复杂的 (12, 13)，但最终结果是形成了直径随着 M 增加而增加的环状陷阱。根据这个原理，环形阱可以产生向上的力来平衡流体中粒子的重力效应。该环还产生横向向内的力，因此颗粒被困在其中心。涡流束俘获的一个实际问题是螺旋波前携带角动量，而角动量反过来会导致陷阱中的粒子旋转。这会导致不稳定和粒子可能从陷阱中弹出。为了避免这个问题，为了获得稳定的俘获，M 的符号被迅速切换，使得平均角动量随时间为零。为了实现流体中粒子的运动，环形陷阱的位置由换能器定相中的额外动态变化进行电子控制。粒子的垂直位置可以通过改变阵列的总功率输出（改变平衡重力的净力）、改变 M（粒子所在环的大小）或通过叠加径向变化来控制换能器上的相位。后者具有改变阵列轴向聚焦位置的作用。可以通过在换能器上“分割”相位来实现横向移动。使用这些方法的组合，水箱中半径为 3 毫米的球体实现了 6 毫米的垂直和水平平移。移动的程度受到阵列中元素的大小、形状和数量的限制。这项工作令人印象深刻的结果是，在活猪膀胱的声学复杂得多的环境中证明了成功的粒子操纵，其中声学对比和反射有可能破坏和削弱所产生陷阱的强度。此外，尽管使用了相对较高的功率，但在暴露后几乎没有观察到组织损伤的迹象。因此，该方法显示出前景，例如，有针对性地从泌尿道中清除小肾结石。声学操纵正在成为医学和非医学应用的强大技术。在许多方面，它与全息镊子 (14) 的光学模拟有关，其中使用空间光调制器 (SLM) 对光束中的相位进行精细控制，可以精确控制和操纵亚微米粒子。通常，SLM 具有超过一百万像素的元件用于镊子应用。已经开发出一种理论全息声学元件框架，该框架可以组合并用于以类似方式定义来自多换能器超声阵列的多个捕获点和样本旋转（13）。

　　随着具有更多相位可寻址换能器的超声波阵列的发展，这里展示的技术确实可以带来一种革命性的无创去除肾结石的方法。