64陣元相控換能器聲壓場的數(shù)值仿真研究.pdf

1、高強度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是無創(chuàng)或微創(chuàng)的腫瘤治療技術(shù)。聚焦超聲換能器技術(shù)是HIFU臨床治療系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，HIFU臨床治療中使用較為廣泛的是單陣元換能器，單陣元換能器焦點固定且單一，需通過機械式調(diào)整換能器與患者的相對距離實現(xiàn)掃描治療。多陣元相控換能器可通過陣元相位控制實現(xiàn)變焦距和多焦點聚焦，但相控換能器控制電路和制作工藝復雜，造價高，且聚焦效果受換能器參數(shù)影響

2、較大，使臨床治療的安全性和有效性不能保障，目前只有少數(shù)HIFU系統(tǒng)中應用了相控換能器。在HIFU腫瘤治療中，相控換能器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接影響形成焦域的聲場分布，通過數(shù)值仿真方法對比研究這些參數(shù)對HIFU形成可治療焦域的影響很有必要。
　　研究目的：
　　通過研究相控換能器陣元分布和結(jié)構(gòu)參數(shù)對聲場分布的影響來提高聚焦效果，并通過相控換能器單焦點、雙焦點聚焦時聲場變化規(guī)律為HIFU臨床治療提供有效的理論數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。
　　

3、研究方法：
　　首先建立含有64陣元相等環(huán)距陣元分布和不等環(huán)距陣元分布的相控換能器數(shù)值仿真模型，采用Westervelt聲波非線性傳播方程式，通過FDTD時域有限差分法數(shù)值仿真HIFU形成聲壓場。利用曲面自聚焦法仿真研究不同頻率對64陣元換能器形成聲場的影響。采用時間反轉(zhuǎn)方法控制換能器陣元發(fā)射的超聲波使其聚焦到目標焦點位置，以旁瓣與主瓣最大聲強比值0.25作為安全閾值，仿真對比陣元分布以及陣元直徑和環(huán)距不同時相控換能器聚焦的聲場分

4、布，并對陣元直徑為8.5mm，環(huán)距為7mm的相控換能器單焦點和多焦點聚焦時聲場變化規(guī)律進行研究，具體分析內(nèi)容和研究結(jié)果如下。
　　研究結(jié)果：
　　1.在水體中頻率為0.5-0.8MHz時，頻率越大，焦點聲壓和旁瓣越大，焦點位置越靠近換能器。
　　2.在聲軸上目標焦點聚焦時，不等環(huán)距陣元分布的換能器焦點聲壓小于相等環(huán)距陣元分布的換能器，且在幾何焦點之后聚焦時旁瓣與主瓣最大聲強比值為0.46，超過安全閾值0.25。

5、　　3.陣元直徑8mm時，環(huán)距為7mm時在目標焦點處旁瓣與主瓣最大聲強比值比環(huán)距為8mm的換能器比值小;環(huán)距為7mm時，陣元直徑為8.5mm時旁瓣與主瓣最大聲強比值比陣元直徑為8mm時小，焦點處聲壓比陣元直徑為8mm時大。
　　4.對于陣元直徑為8.5mm，環(huán)距為7mm的相控換能器的研究結(jié)果如下:
　　(1)在聲軸及偏離聲軸的各目標焦點處均形成了橢圓形焦域，當目標焦點沿聲軸方向焦距不小于80mm時，焦點聲壓降低，旁瓣增大。<

6、br>　　(2)旁瓣與主瓣最大聲強比值隨著設(shè)定焦距的增加先減小后增大，焦點處聲壓先增大后減小。偏離聲軸越遠，旁瓣與主瓣最大聲強比值在0.25以下的焦距范圍越小，焦點聲壓越低。
　　(3)雙焦點模式聚焦時，兩焦點距離從7mm縮短至4mm時焦點間旁瓣先增大后減小，焦點間距離從3mm縮短至2.5mm時，兩焦域逐漸連為一體。
　　(4)當對五個焦點同時進行聚焦時，可在目標焦點位置形成焦域，焦域間會出現(xiàn)旁瓣。
　　綜合上述結(jié)果得

7、到如下結(jié)論:
　　1.頻率會對焦點聲壓、旁瓣幅值以及焦域大小產(chǎn)生影響。
　　2.不等陣元分布的相控換能器聚焦效果比相等陣元分布的相控換能器差。
　　3.相等陣元分布的換能器可實現(xiàn)一定范圍內(nèi)相控聚焦。
　　4.單焦點聚焦時，偏離聲軸位置越遠，旁瓣與主瓣最大聲強比值越大，焦點聲壓越低;沿聲軸聚焦時，偏離自聚焦形成焦點位置越遠，旁瓣與主瓣最大聲強比值越大，焦點聲壓越低，換能器向后聚焦能力較差。
　　5.雙焦點聚焦