HIFU相控换能器声压场和温度场的数值仿真研究

发布时间：2017-07-21 04:02

  本文关键词：HIFU相控换能器声压场和温度场的数值仿真研究

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【摘要】：超声换能器是高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的关键部件之一。固定焦距的单阵元换能器已应用于乳腺癌、子宫肌瘤、前列腺癌等实体软组织肿瘤的临床治疗,但治疗定位需要机械调整患者和换能器的相对位置,而相控换能器可通过相位调控实现焦距可调和多焦点聚焦,使治疗时间缩短的同时,可对焦域位置有效控制,相控换能器的研究受到众多学者广泛关注。研究目的相控换能器除具有焦域可控的优势外,还存在所需阵元数目较多、结构复杂、相控及激发电路生产成本高、形成声场中易出现高声压旁瓣等问题。这些问题限制了其在临床治疗中的应用。为解决相控换能器临床应用的问题,关键是在较少阵元数目条件下保证阵列具有良好的聚焦性能。本文以82阵元相控换能器为例建立数值仿真模型,从阵元分布、各阵元激励信号的优化两方面来降低高声压旁瓣幅值、改善声场分布,并通过调整焦点个数和焦点间距大小实现较大体积肿瘤的治疗,从而为相控换能器的临床应用提供理论数据和参考依据。研究方法按照周期、同心环、随机阵元分布方式设计82阵元相控换能器,并建立三维数值仿真模型,基于时间反转法数值仿真获取各阵元的相位控制信号。利用Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程,通过时域有限差分法研究其形成的声压场和温度场。单焦点模式下对不同分布阵列形成的声压场进行比较,讨论不同聚焦位置时的声场变化规律、可调控范围,并通过高声压旁瓣消除法扩大随机分布相控换能器的可调控范围。多焦点模式下,通过调整焦点间距大小实现多焦点融合,对不同焦点数目聚焦时的声压场和温度场变化规律进行分析讨论。研究结果1.周期、同心环和随机三种分布阵列的主瓣声压变化基本一致,而周期和同心环分布阵列旁瓣与主瓣的最大声强比值r均明显高于随机分布阵列。2.随着相控换能器设定焦点位置偏离换能器声轴距离的增加,主瓣声压幅值逐渐减小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r逐渐增大,分布在焦域周围的旁瓣逐渐移至偏离声轴的反方向,且旁瓣数量逐渐增多、幅值逐渐增大。3.相控换能器设定焦点沿声轴方向聚焦时的研究结果如下:(1)随着声轴上设定焦距值的增加,主瓣声压幅值先增大后减小、旁瓣与主瓣的最大声强比值r先减小后增大。(2)偏离声轴不同距离聚焦时,声轴上形成最大主瓣声压、最小r值的位置不同,且随着设定焦点位置偏离声轴距离的增加,沿声轴方向上声焦域的可调控范围逐渐减小。(3)基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上降低焦域附近的高声压旁瓣,同时主瓣声压幅值略有降低。4.当相控换能器设定焦点间距由4 mm缩短至2 mm时,独立的双焦域和三焦域逐渐融合成一个焦域,且随设定焦点间距的减小,焦点间的旁瓣幅值逐渐降低、数量逐渐减少,主瓣最大声压幅值先减小后增大。5.多焦点模式聚焦时,旁瓣主要出现在各焦点间,且随设定焦点数目的增加旁瓣数量逐渐增多、声压幅值逐渐增大。6.离体肝组织中在几何焦点聚焦时,实际形成的焦域呈规则椭球体状,且焦域外无明显温升;轴向温升曲线变化陡峭,主瓣外温升接近于零。与单焦点聚焦相比,双焦点聚焦可增大可治疗焦域的体积。结论1.相控换能器形成声场中的旁瓣与阵元的分布方式有关,但对主瓣声压无影响。2.与周期和同心环分布阵列相比,随机分布阵列可明显降低声场中的旁瓣声压幅值、改善声场分布。3.单焦点聚焦时,沿声轴聚焦位置距离自聚焦形成焦点位置越远,主瓣声压幅值越小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r越大。同时偏离声轴聚焦的位置越远,主瓣声压幅值越小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r越大,沿声轴方向上的声焦域可调控范围越小。4.基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上增大相控换能器声焦域的可调控范围。5.当设定焦点间距缩短至2 mm时独立的双焦域和三焦域可融合成一个焦域,但焦域形状不一定规则。6.多焦点聚焦可增大可治疗焦域的体积。
【关键词】：HIFU 相控换能器 阵元分布 时间反转 高声压旁瓣消除法
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R730.5;TB552
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 缩略语/符号说明11-12
• 一、前言12-17
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 研究目的14-15
• 1.3 研究内容15-17
• 二、数值仿真方法与模型17-24
• 2.1 声波非线性传播方程式17
• 2.2 差分方程式17-21
• 2.2.1 Westervelt方程式的离散化处理17-19
• 2.2.2 声场边界处理19-20
• 2.2.3 FDTD法的稳定条件20-21
• 2.3 生物热传导方程21-24
• 2.3.1 Pennes生物热传导方程21
• 2.3.2 热传导方程式的FDTD差分21-24
• 三、仿真模型与方法24-31
• 3.1 数值仿真模型与参数24-26
• 3.1.1 数值仿真模型24-25
• 3.1.2 数值仿真参数25-26
• 3.2 阵元激励信号的获取26-29
• 3.2.1 单焦点阵元激励信号26-29
• 3.2.2 多焦点阵元激励信号29
• 3.3 换能器阵列设计29-31
• 四、数值仿真结果31-45
• 4.1 阵元分布对形成声场的影响31
• 4.2 焦点偏离声轴距离对形成声场的影响31-34
• 4.3 设定焦点位置对形成声场的影响34-36
• 4.4 多焦点模式聚焦的声压场36-41
• 4.4.1 双焦点模式聚焦36-38
• 4.4.2 三焦点模式聚焦38-40
• 4.4.3 多焦点聚焦40-41
• 4.5 离体组织内形成的温度场41-45
• 4.5.1 单焦点41-42
• 4.5.2 双焦点42-45
• 五、结论与讨论45-50
• 5.1 结论45-46
• 5.2 讨论46-50
• 参考文献50-55
• 发表论文和参加科研情况说明55-56
• 综述56-72
• 综述参考文献66-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 姬艳红;李全禄;杨瑛;张晴;杨林枝;;高强度聚焦超声在医学领域中应用的新进展[J];中国医学物理学杂志;2008年04期

2 ;High-intensity focused ultrasound with large scale spherical phased array for the ablation of deep tumors[J];Journal of Zhejiang University(Science B:An International Biomedicine，，Biochemistry & Biotechnology Journal);2009年09期

3 霍彦明,陈亚珠;HIFU技术换能器探头的比较研究[J];中国医疗器械杂志;2000年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 向军;HIFU多焦点声焦域形态研究[D];重庆医科大学;2010年

2 许阳;相控阵聚焦换能器的非线性声场研究[D];南京大学;2013年

本文编号：571293