64阵元相控换能器声压场的数值仿真研究

发布时间：2018-10-05 11:04

【摘要】：高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)是无创或微创的肿瘤治疗技术。聚焦超声换能器技术是HIFU临床治疗系统的关键技术之一。目前,HIFU临床治疗中使用较为广泛的是单阵元换能器,单阵元换能器焦点固定且单一,需通过机械式调整换能器与患者的相对距离实现扫描治疗。多阵元相控换能器可通过阵元相位控制实现变焦距和多焦点聚焦,但相控换能器控制电路和制作工艺复杂,造价高,且聚焦效果受换能器参数影响较大,使临床治疗的安全性和有效性不能保障,目前只有少数HIFU系统中应用了相控换能器。在HIFU肿瘤治疗中,相控换能器结构和参数,直接影响形成焦域的声场分布,通过数值仿真方法对比研究这些参数对HIFU形成可治疗焦域的影响很有必要。研究目的通过研究相控换能器阵元分布和结构参数对声场分布的影响来提高聚焦效果,并通过相控换能器单焦点、双焦点聚焦时声场变化规律为HIFU临床治疗提供有效的理论数据和参考依据。研究方法首先建立含有64阵元相等环距阵元分布和不等环距阵元分布的相控换能器数值仿真模型,采用Westervelt声波非线性传播方程式,通过FDTD时域有限差分法数值仿真HIFU形成声压场。利用曲面自聚焦法仿真研究不同频率对64阵元换能器形成声场的影响。采用时间反转方法控制换能器阵元发射的超声波使其聚焦到目标焦点位置,以旁瓣与主瓣最大声强比值0.25作为安全阈值,仿真对比阵元分布以及阵元直径和环距不同时相控换能器聚焦的声场分布,并对阵元直径为8.5mm,环距为7mm的相控换能器单焦点和多焦点聚焦时声场变化规律进行研究,具体分析内容和研究结果如下。研究结果 1.在水体中频率为0.5-0.8MHz时,频率越大,焦点声压和旁瓣越大,焦点位置越靠近换能器。 2.在声轴上目标焦点聚焦时,不等环距阵元分布的换能器焦点声压小于相等环距阵元分布的换能器,且在几何焦点之后聚焦时旁瓣与主瓣最大声强比值为0.46,超过安全阈值0.25。 3.阵元直径8mm时,环距为7mm时在目标焦点处旁瓣与主瓣最大声强比值比环距为8mm的换能器比值小；环距为7mm时,阵元直径为8.5mm时旁瓣与主瓣最大声强比值比阵元直径为8mm时小,焦点处声压比阵元直径为8mm时大。 4.对于阵元直径为8.5mm,环距为7mm的相控换能器的研究结果如下： (1)在声轴及偏离声轴的各目标焦点处均形成了椭圆形焦域,当目标焦点沿声轴方向焦距不小于80mm时,焦点声压降低,旁瓣增大。 (2)旁瓣与主瓣最大声强比值随着设定焦距的增加先减小后增大,焦点处声压先增大后减小。偏离声轴越远,旁瓣与主瓣最大声强比值在0.25以下的焦距范围越小,焦点声压越低。 (3)双焦点模式聚焦时,两焦点距离从7mm缩短至4mm时焦点间旁瓣先增大后减小,焦点间距离从3mm缩短至2.5mm时,两焦域逐渐连为一体。 (4)当对五个焦点同时进行聚焦时,可在目标焦点位置形成焦域,焦域间会出现旁瓣。综合上述结果得到如下结论： 1.频率会对焦点声压、旁瓣幅值以及焦域大小产生影响。 2.不等阵元分布的相控换能器聚焦效果比相等阵元分布的相控换能器差。 3.相等阵元分布的换能器可实现一定范围内相控聚焦。 4.单焦点聚焦时,偏离声轴位置越远,旁瓣与主瓣最大声强比值越大,焦点声压越低；沿声轴聚焦时,偏离自聚焦形成焦点位置越远,旁瓣与主瓣最大声强比值越大,焦点声压越低,换能器向后聚焦能力较差。 5.双焦点聚焦时,焦点间距离变化会对旁瓣产生影响,当焦点间距离小于3mm时,两焦域逐渐融合成一个焦域,但形状可能不是一个规则的椭球体。
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【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R445.1

【参考文献】