采用变厚度聚焦超声换能器压缩声焦域轴向长度的研究
发布时间：2021-09-03 13:18
研究背景:高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）主要利用超声的热效应,使病变组织产生不可逆的凝固性坏死而不损伤周围正常组织,从而达到治疗疾病的目的。现应用于临床治疗的换能器多为单频凹球壳聚焦超声换能器,其声焦域（Acoustics Focal Region,AFR）为椭球形,轴向长度与横向长度之比通常在6以上,在临床治疗中存在病变组织周围的正常组织被损伤、皮肤烧伤等问题,使得治疗的安全性不能保证。因此,聚焦超声换能器声焦域轴向长度的合理设计是HIFU技术安全、有效治疗的前提条件。目的:传统单频凹球壳聚焦超声换能器在治疗横向薄层病变组织时容易损伤病变组织外的正常组织,这为治疗的安全性带来了很大的隐患。因此,为了提高HIFU在临床治疗过程中的安全性和有效性,压缩声焦域轴向长度有重要应用价值。方法:1.基于多频超声波叠加分析和声焦域轴向长度变化原理,本文提出了变厚度（多频）聚焦超声换能器,并设计凹球壳和声透镜变厚度聚焦超声换能器。2.根据瑞利积分原理推导变厚度换能器辐射声场的计算方程,在不同频差下,从理论上计算与分析两种类型变厚度换能器...
【文章来源】：重庆医科大学重庆市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图15个同频声波叠加
13两列不同频率声波叠加后的声压为：12112cos()cos()22ap=p+p=pΔωtω+Δωt(1-8)由叠加后的声压表达式可知，合成声波的基频是两列信号频率的平均值12ω+Δω、幅值随时间变化，即12cos()2apΔωt。显然，1cos()2Δω的取值在0-1之间，所以合成声压幅值最大为2ap，最小为0。特别，当两列声波的初始幅值大小不同时，两列声波叠加后就没有零点。现讨论n列不同频率、同振幅、同相位声波的叠加[34]：cos(),1,2,,jajp=pωtj=n(1-9)叠加后的方程式为：112,2=2cos()cos()122njjnnajijijijipppttnωωωω==<=+=+(1-10)从式（1-9）可知，在频差不大的情况下，合振动为n-1个拍，这n-1个拍由n个声波两两合成的结果。此时，n个声波合成的拍幅是单独两个声波合成的拍幅的1n1，如图2所示为5个不同频率声波叠加图，它们的振动方程为：12345cos(40)cos(42)cos(44)cos(46)cos(48)ptptptptptπππππ=====(1-11)图25个不同频率声波叠加Fig.25differentfrequencysoundwavessuperimposed
17变厚度换能器，同时能实现超声波聚焦。图3凹球壳型变厚度聚焦超声换能器示意图Fig.3Concavesphericalshelltypevariablethicknessfocusedultrasoundtransducer1.2.2声透镜变厚度聚焦超声换能器在凹球壳型变厚度换能器的基础上，设计了声透镜变厚度聚焦超声换能器。如图4所示，透镜式变厚度聚焦超声换能器以空气为背称，包括：平凹压电片，平凹压电片包括凹面和平面，凹面为球面结构，因此平凹压电片具有多个厚度不同的谐振点；声透镜包括透镜凹面和透镜平面，透镜凹面为球面结构，透镜平面与平凹压电片平面贴合，超声波从声透镜侧发出。图4透镜式变厚度聚焦超声换能器示意图Fig.4Schematicoflens-typevariable-thicknessfocusedultrasoundtransducer
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种分析非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器性能的方法[J]. 孙瑛琦,曾德平,张春杨,许佳琪,张菁霓,龚洋,何倩,高雪梅,杨增涛. 振动与冲击. 2019(08)
[2]半球形高强度聚焦超声相控换能器的仿真研究[J]. 吴世敬,常诗卉,王鹏,菅喜岐. 压电与声光. 2017(06)
[3]Mathematica模拟简谐振动的合成[J]. 陈大伟,斯小琴. 物理通报. 2017(04)
[4]非麻醉下HIFU治疗子宫肌瘤的疗效评估[J]. 吴瑛,管静涛,朱艺,卢靖,段红刚,周文,何瑞莹,王莉芳,代文磊,李琼. 中外医疗. 2017(09)
[5]HIFU焦域的温度分布模拟及其疗效分析[J]. 宿慧丹,戴思捷,郭各朴,马青玉. 南京师大学报(自然科学版). 2017(01)
[6]我国聚焦超声治疗技术的迅速崛起与展望[J]. 冯若. 声学技术. 2011(01)
[7]凹球面双频聚焦超声声场的线性声学分析[J]. 李全义,董琦,黄曦,曾德平,李发琪,毛彦欣,张德俊. 压电与声光. 2009(04)
[8]高强度聚焦超声在医学超声领域中的发展与应用[J]. 孙福成,汤建明. 物理. 2007(09)
[9]复频聚焦超声换能器水中焦区商场特性的研究[J]. 石焕文,尚志远,王三德. 应用声学. 2001(04)
[10]高强聚焦超声（HIFU）无创外科─21世纪治疗肿瘤的新技术[J]. 冯若. 应用声学. 2001(02)
硕士论文
[1]基于超声空化的振动边界作用流场的数值模拟[D]. 沈灵.清华大学 2011
[2]聚焦换能器的设计和声场的模拟[D]. 刘亚慧.陕西师范大学 2009
本文编号：3381184
【文章来源】：重庆医科大学重庆市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图15个同频声波叠加
13两列不同频率声波叠加后的声压为：12112cos()cos()22ap=p+p=pΔωtω+Δωt(1-8)由叠加后的声压表达式可知，合成声波的基频是两列信号频率的平均值12ω+Δω、幅值随时间变化，即12cos()2apΔωt。显然，1cos()2Δω的取值在0-1之间，所以合成声压幅值最大为2ap，最小为0。特别，当两列声波的初始幅值大小不同时，两列声波叠加后就没有零点。现讨论n列不同频率、同振幅、同相位声波的叠加[34]：cos(),1,2,,jajp=pωtj=n(1-9)叠加后的方程式为：112,2=2cos()cos()122njjnnajijijijipppttnωωωω==<=+=+(1-10)从式（1-9）可知，在频差不大的情况下，合振动为n-1个拍，这n-1个拍由n个声波两两合成的结果。此时，n个声波合成的拍幅是单独两个声波合成的拍幅的1n1，如图2所示为5个不同频率声波叠加图，它们的振动方程为：12345cos(40)cos(42)cos(44)cos(46)cos(48)ptptptptptπππππ=====(1-11)图25个不同频率声波叠加Fig.25differentfrequencysoundwavessuperimposed
17变厚度换能器，同时能实现超声波聚焦。图3凹球壳型变厚度聚焦超声换能器示意图Fig.3Concavesphericalshelltypevariablethicknessfocusedultrasoundtransducer1.2.2声透镜变厚度聚焦超声换能器在凹球壳型变厚度换能器的基础上，设计了声透镜变厚度聚焦超声换能器。如图4所示，透镜式变厚度聚焦超声换能器以空气为背称，包括：平凹压电片，平凹压电片包括凹面和平面，凹面为球面结构，因此平凹压电片具有多个厚度不同的谐振点；声透镜包括透镜凹面和透镜平面，透镜凹面为球面结构，透镜平面与平凹压电片平面贴合，超声波从声透镜侧发出。图4透镜式变厚度聚焦超声换能器示意图Fig.4Schematicoflens-typevariable-thicknessfocusedultrasoundtransducer
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种分析非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器性能的方法[J]. 孙瑛琦,曾德平,张春杨,许佳琪,张菁霓,龚洋,何倩,高雪梅,杨增涛. 振动与冲击. 2019(08)
[2]半球形高强度聚焦超声相控换能器的仿真研究[J]. 吴世敬,常诗卉,王鹏,菅喜岐. 压电与声光. 2017(06)
[3]Mathematica模拟简谐振动的合成[J]. 陈大伟,斯小琴. 物理通报. 2017(04)
[4]非麻醉下HIFU治疗子宫肌瘤的疗效评估[J]. 吴瑛,管静涛,朱艺,卢靖,段红刚,周文,何瑞莹,王莉芳,代文磊,李琼. 中外医疗. 2017(09)
[5]HIFU焦域的温度分布模拟及其疗效分析[J]. 宿慧丹,戴思捷,郭各朴,马青玉. 南京师大学报(自然科学版). 2017(01)
[6]我国聚焦超声治疗技术的迅速崛起与展望[J]. 冯若. 声学技术. 2011(01)
[7]凹球面双频聚焦超声声场的线性声学分析[J]. 李全义,董琦,黄曦,曾德平,李发琪,毛彦欣,张德俊. 压电与声光. 2009(04)
[8]高强度聚焦超声在医学超声领域中的发展与应用[J]. 孙福成,汤建明. 物理. 2007(09)
[9]复频聚焦超声换能器水中焦区商场特性的研究[J]. 石焕文,尚志远,王三德. 应用声学. 2001(04)
[10]高强聚焦超声（HIFU）无创外科─21世纪治疗肿瘤的新技术[J]. 冯若. 应用声学. 2001(02)
硕士论文
[1]基于超声空化的振动边界作用流场的数值模拟[D]. 沈灵.清华大学 2011
[2]聚焦换能器的设计和声场的模拟[D]. 刘亚慧.陕西师范大学 2009
本文编号：3381184
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