64陣元相控?fù)Q能器聲壓場(chǎng)的數(shù)值仿真研究.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是無(wú)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(diǎn)固定且單一，需通過(guò)機(jī)械式調(diào)整換能器與患者的相對(duì)距離實(shí)現(xiàn)掃描治療。多陣元相控?fù)Q能器可通過(guò)陣元相位控制實(shí)現(xiàn)變焦距和多焦點(diǎn)聚焦，但相控?fù)Q能器控制電路和制作工藝復(fù)雜，造價(jià)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(yīng)用了相控?fù)Q能器。在HIFU腫瘤治療中，相控?fù)Q能器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接影響形成焦域的聲場(chǎng)分布，通過(guò)數(shù)值仿真方法對(duì)比研究這些參數(shù)對(duì)HIFU形成可治療焦域的影響很有必要。
　　研究目的：
　　通過(guò)研究相控?fù)Q能器陣元分布和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)分布的影響來(lái)提高聚焦效果，并通過(guò)相控?fù)Q能器單焦點(diǎn)、雙焦點(diǎn)聚焦時(shí)聲場(chǎng)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?fù)Q能器數(shù)值仿真模型，采用Westervelt聲波非線(xiàn)性傳播方程式，通過(guò)FDTD時(shí)域有限差分法數(shù)值仿真HIFU形成聲壓場(chǎng)。利用曲面自聚焦法仿真研究不同頻率對(duì)64陣元換能器形成聲場(chǎng)的影響。采用時(shí)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(biāo)焦點(diǎn)位置，以旁瓣與主瓣最大聲強(qiáng)比值0.25作為安全閾值，仿真對(duì)比陣元分布以及陣元直徑和環(huán)距不同時(shí)相控?fù)Q能器聚焦的聲場(chǎng)分

4、布，并對(duì)陣元直徑為8.5mm，環(huán)距為7mm的相控?fù)Q能器單焦點(diǎn)和多焦點(diǎn)聚焦時(shí)聲場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)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(shí)，頻率越大，焦點(diǎn)聲壓和旁瓣越大，焦點(diǎn)位置越靠近換能器。
　　2.在聲軸上目標(biāo)焦點(diǎn)聚焦時(shí)，不等環(huán)距陣元分布的換能器焦點(diǎn)聲壓小于相等環(huán)距陣元分布的換能器，且在幾何焦點(diǎn)之后聚焦時(shí)旁瓣與主瓣最大聲強(qiáng)比值為0.46，超過(guò)安全閾值0.25。

5、　　3.陣元直徑8mm時(shí)，環(huán)距為7mm時(shí)在目標(biāo)焦點(diǎn)處旁瓣與主瓣最大聲強(qiáng)比值比環(huán)距為8mm的換能器比值小;環(huán)距為7mm時(shí)，陣元直徑為8.5mm時(shí)旁瓣與主瓣最大聲強(qiáng)比值比陣元直徑為8mm時(shí)小，焦點(diǎn)處聲壓比陣元直徑為8mm時(shí)大。
　　4.對(duì)于陣元直徑為8.5mm，環(huán)距為7mm的相控?fù)Q能器的研究結(jié)果如下:
　　(1)在聲軸及偏離聲軸的各目標(biāo)焦點(diǎn)處均形成了橢圓形焦域，當(dāng)目標(biāo)焦點(diǎn)沿聲軸方向焦距不小于80mm時(shí)，焦點(diǎn)聲壓降低，旁瓣增大。<

6、br>　　(2)旁瓣與主瓣最大聲強(qiáng)比值隨著設(shè)定焦距的增加先減小后增大，焦點(diǎn)處聲壓先增大后減小。偏離聲軸越遠(yuǎn)，旁瓣與主瓣最大聲強(qiáng)比值在0.25以下的焦距范圍越小，焦點(diǎn)聲壓越低。
　　(3)雙焦點(diǎn)模式聚焦時(shí)，兩焦點(diǎn)距離從7mm縮短至4mm時(shí)焦點(diǎn)間旁瓣先增大后減小，焦點(diǎn)間距離從3mm縮短至2.5mm時(shí)，兩焦域逐漸連為一體。
　　(4)當(dāng)對(duì)五個(gè)焦點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行聚焦時(shí)，可在目標(biāo)焦點(diǎn)位置形成焦域，焦域間會(huì)出現(xiàn)旁瓣。
　　綜合上述結(jié)果得

7、到如下結(jié)論:
　　1.頻率會(huì)對(duì)焦點(diǎn)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?fù)Q能器聚焦效果比相等陣元分布的相控?fù)Q能器差。
　　3.相等陣元分布的換能器可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)相控聚焦。
　　4.單焦點(diǎn)聚焦時(shí)，偏離聲軸位置越遠(yuǎn)，旁瓣與主瓣最大聲強(qiáng)比值越大，焦點(diǎn)聲壓越低;沿聲軸聚焦時(shí)，偏離自聚焦形成焦點(diǎn)位置越遠(yuǎn)，旁瓣與主瓣最大聲強(qiáng)比值越大，焦點(diǎn)聲壓越低，換能器向后聚焦能力較差。
　　5.雙焦點(diǎn)聚焦