Design, modelling, characterization and implementation of acoustic lenses for modulation of ultrasound beams [thesis]

Daniel Tarrazó Serrano
Agraïments En primer lloc, agrair a tots i totes aquells que m'heu ajudat durant aquest llarg viatge. Una part de la culpa d'aplegar fins ací la tenen Joan Escrivà Arlandis i Abel Soler Calatayud; canyeta, peixet i la cassalla a colpets. També agrair a la meua germana, la meua mare i el meu pare, per tot el seu afecte i suport (a més de la paciència infinita). Als meus directors, Antonio i Constanza pel seu temps i ajuda, no només en la part tècnica, sinó en la que transcendeix més enllà en
more » ... ix més enllà en l'escriptura d'una tesi. Gràcies Pilar Candelas per haver confiat en mi per complir amb els objectius de la investigació, sense ella no hauria pogut accedir a un contracte predoctoral. José Miguel Fuster, gràcies per estar en el grup i ha estat un plaer treballar amb tu al teu costat. De la mateixa manera, Sergio Castiñeira Ibáñez ha estat un company fonamental per arribar a aquest punt. Juan Carlos Melgarejo i la seua parella han donat un cop de mà amb la revisió de l'anglès a més de passar uns mesos compartint casa i vaixell. L'Holandès sempre ha de tenir un capità. Amb Sergio Pérez López he compartit hores de despatx, congressos i patiments diversos. A aquells i aquelles del Departament de Física Aplicada de la Universitat Politècnica de València que m'heu dipositat la vostra confiança. Especialment a Paco Belmar, director de el Centre de Tecnologies Físiques que ha estat el mestre de la gestió. Tampoc m'oblide d'aquells que m'han ajudat a mantindre el seny al llarg d'aquests anys. Perquè compartir el saxo i moments de comboi amb l'equip fusta, un trompeta que no pot torrar i un guitarrista polifacètic i les seues parelles, en el fons ha estat fonamental per no abandonar aquest projecte. I per descomptat, a tu, la meua vida i el meu amor, Cuca Nácher. Ars longa, vita brevis. iv Abstract The ability to control and modify energy beams has been the subject of research by the scientific community for a long time. In the acoustic field, this energetic control of mechanical waves has numerous applications. From industrial, food, pharmaceutical applications, et cetera, to biomedicine. This thesis is based on the ultrasound control and focal modulation applications. It is possible to modulate and control the ultrasound focii in different ways. In this case, flat lenses were developed based on the principle of diffraction to focus the beams. The advantages of using flat focusing lenses allow them to be easily implemented in machining and drilling processes and even through 3D printing. It was proposed to use planar transducers that when emitting on an acoustic lens, controlled characteristics of focal conformation were produced. The lens known as Fresnel Zone Plane (FZP) was chosen as the implementation design basis for the different solutions that manage to fulfill the objectives set. By applying modifications to an FZP it was possible to go from a lens with extraordinary focusing capabilities to a lens that was capable to control lateral resolution, depth of focus and even improving the gain. The final objective application was the use in high intensity ultrasound transducers known as HIFU. Improving the ability to resolve makes it possible to develop better cancer therapies that represent a higher rate of success in the fight against cancer. In the present thesis, a novel FZP lens based on phase change has also been proposed that can be a before and after in biomedical applications. It has not only been possible to improve the efficiency of an FZP, but it has also been possible to implement it in materials compatible with magnetic resonance imaging. v Numerical models based on the finite element method were developed for emulating the involved physics. Measurements were carried out under controlled conditions by a high precision robotic system. All the results obtained and published were developed numerically and experimentally, validating the working method and giving consistency to the proposed solutions. vi Resum La capacitat de controlar i modificar els feixos d'energia ha sigut motiu d'investigació per part de la comunitat científica des de llarg temps arrere. En el camp de l'acústica, este control energètic de les ones mecàniques té nombroses aplicacions. Des de les aplicacions industrials, alimentàries, farmacèutiques, etcètera fins la biomedicina. Esta tesi es basa en l'aplicació del control i modulació focal dels ultrasons per a l'ús en este últim camp. Es pot modular i controlar els focus d'ultrasons de diferents formes. En este cas, s'han desenvolupat lents planes que utilitzen el principi de la difracció per a aconseguir focalitzar els feixos. Els avantatges de l'ús de lents planes de focalització permeten ser implementades de forma senzilla en processos de mecanització i inclús per mitjà d'impressió 3D. Es proposa utilitzar transductores plans que a l'emetre sobre una lent acústica, es produïsca una conformació focal de característiques controlades. La lent coneguda com a lent de Fresnel (FZP) ha sigut triada com a base de disseny en la implementació de les diferents solucions que aconseguixen complir amb els objectius marcats. Per mitjà de l'aplicació de modificacions en una FZP es pot aconseguir passar d'una lent amb capacitats extraordinàries de focalització a una lent capaç de controlar la resolució lateral i la profunditat de focus i inclús millorar el guany. L'objectiu final d'aplicació és l'ús en transductores d'ultrasons d'alta intensitat coneguts com HIFU. Millorar la capacitat de resolució fa que es puguen desenvolupar millors teràpies oncològiques que suposen un índex major d'èxit en la lluita contra el càncer. En la present tesi s'ha proposat, a més, una nova lent FZP basada en el canvi de fase que pot resultar un abans i un després en aplicacions biomèdiques. S'ha aconseguit no sols millorar l'eficiència vii d'una FZP, sinó que s'ha aconseguit implementar en materials compatibles amb ressonància magnètica. S'han desenvolupat models numèrics basats en el mètode dels elements finits que emulen la física involucrada. Les mesures han sigut realitzades en condicions controlades per un sistema robotitzat d'alta precisió. Tots els resultats obtinguts i publicats han sigut desenvolupats de forma numèrica i experimental, validant-se el mètode de treball i donant consistència a les solucions proposades. viii Resumen La capacidad de controlar y modificar los haces de energía ha sido motivo de investigación por parte de la comunidad científica desde largo tiempo atrás. En el campo de la acústica, este control energético de las ondas mecánicas tiene numerosas aplicaciones. Desde las aplicaciones industriales, alimentarias, farmacéuticas, etcétera hasta la biomedicina. Esta tesis se basa en la aplicación del control y modulación focal de los ultrasonidos para el uso en este último campo. Se puede modular y controlar los focos de ultrasonidos de diferentes formas. En este caso, se han desarrollado lentes planas que utilizan el principio de la difracción para lograr focalizar los haces. Las ventajas del uso de lentes planas de focalización permiten ser implementadas de forma sencilla en procesos de mecanización e incluso mediante impresión 3D. Se propone utilizar transductores planos que al emitir sobre una lente acústica, se produzca una conformación focal de características controladas. La lente conocida como lente de Fresnel (FZP) ha sido escogida como base de diseño en la implementación de las diferentes soluciones que logran cumplir con los objetivos marcados. Mediante la aplicación de modificaciones en una FZP se puede lograr pasar de una lente con capacidades extraordinarias de focalización a una lente capaz de controlar la resolución lateral y la profundidad de foco e incluso mejorar la ganancia. El objetivo final de aplicación es el uso en transductores de ultrasonidos de alta intensidad conocidos como HIFU. Mejorar la capacidad de resolución hace que se puedan desarrollar mejores terapias oncológicas que supongan un índice mayor de éxito en la lucha contra el cáncer. En la presente tesis se ha propuesto, además, una novedosa lente FZP basada en el cambio de fase que puede resultar un antes y un después en aplicaciones biomédicas. ix Se ha conseguido no solo mejorar la eficiencia de una FZP, sino que se ha conseguido implementar en materiales compatibles con resonancia magnética. Se han desarrollado modelos numéricos basados en el método de los elementos finitos que emulan la física involucrada. Las medidas han sido realizadas en condiciones controladas por un sistema robotizado de alta precisión. Todos los resultados obtenidos y publicados han sido desarrollados de forma numérica y experimental, validándose el método de trabajo y dando consistencia a las soluciones propuestas. x
doi:10.4995/thesis/10251/159895 fatcat:4xvcbiavdvg4jdhnhl2754k3yi