HIFU相控?fù)Q能器聲壓場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真研究.pdf

1、超聲換能器是高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。固定焦距的單陣元換能器已應(yīng)用于乳腺癌、子宮肌瘤、前列腺癌等實(shí)體軟組織腫瘤的臨床治療，但治療定位需要機(jī)械調(diào)整患者和換能器的相對(duì)位置，而相控?fù)Q能器可通過(guò)相位調(diào)控實(shí)現(xiàn)焦距可調(diào)和多焦點(diǎn)聚焦，使治療時(shí)間縮短的同時(shí)，可對(duì)焦域位置有效控制，相控?fù)Q能器的研究受到眾多學(xué)者廣泛關(guān)注。
　　目的:
　　相控?fù)Q能器除具有焦域可控的優(yōu)勢(shì)外，還存在所需陣元數(shù)目較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相控及激發(fā)電路生產(chǎn)成本高

2、、形成聲場(chǎng)中易出現(xiàn)高聲壓旁瓣等問(wèn)題。這些問(wèn)題限制了其在臨床治療中的應(yīng)用。為解決相控?fù)Q能器臨床應(yīng)用的問(wèn)題，關(guān)鍵是在較少陣元數(shù)目條件下保證陣列具有良好的聚焦性能。本文以82陣元相控?fù)Q能器為例建立數(shù)值仿真模型，從陣元分布、各陣元激勵(lì)信號(hào)的優(yōu)化兩方面來(lái)降低高聲壓旁瓣幅值、改善聲場(chǎng)分布，并通過(guò)調(diào)整焦點(diǎn)個(gè)數(shù)和焦點(diǎn)間距大小實(shí)現(xiàn)較大體積腫瘤的治療，從而為相控?fù)Q能器的臨床應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。
　　方法:
　　按照周期、同心環(huán)、隨機(jī)陣元

3、分布方式設(shè)計(jì)82陣元相控?fù)Q能器，并建立三維數(shù)值仿真模型，基于時(shí)間反轉(zhuǎn)法數(shù)值仿真獲取各陣元的相位控制信號(hào)。利用Westervelt聲波非線性傳播方程和Pennes生物熱傳導(dǎo)方程，通過(guò)時(shí)域有限差分法研究其形成的聲壓場(chǎng)和溫度場(chǎng)。單焦點(diǎn)模式下對(duì)不同分布陣列形成的聲壓場(chǎng)進(jìn)行比較，討論不同聚焦位置時(shí)的聲場(chǎng)變化規(guī)律、可調(diào)控范圍，并通過(guò)高聲壓旁瓣消除法擴(kuò)大隨機(jī)分布相控?fù)Q能器的可調(diào)控范圍。多焦點(diǎn)模式下，通過(guò)調(diào)整焦點(diǎn)間距大小實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)融合，對(duì)不同焦點(diǎn)數(shù)目聚

4、焦時(shí)的聲壓場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行分析討論。
　　結(jié)果:
　　1.周期、同心環(huán)和隨機(jī)三種分布陣列的主瓣聲壓變化基本一致，而周期和同心環(huán)分布陣列旁瓣與主瓣的最大聲強(qiáng)比值r均明顯高于隨機(jī)分布陣列。
　　2.隨著相控?fù)Q能器設(shè)定焦點(diǎn)位置偏離換能器聲軸距離的增加，主瓣聲壓幅值逐漸減小，旁瓣與主瓣的最大聲強(qiáng)比值r逐漸增大，分布在焦域周?chē)呐园曛饾u移至偏離聲軸的反方向，且旁瓣數(shù)量逐漸增多、幅值逐漸增大。
　　3.相控?fù)Q能器設(shè)定焦

5、點(diǎn)沿聲軸方向聚焦時(shí)的研究結(jié)果如下：
　　(1)隨著聲軸上設(shè)定焦距值的增加，主瓣聲壓幅值先增大后減小、旁瓣與主瓣的最大聲強(qiáng)比值r先減小后增大。
　　(2)偏離聲軸不同距離聚焦時(shí)，聲軸上形成最大主瓣聲壓、最小r值的位置不同，且隨著設(shè)定焦點(diǎn)位置偏離聲軸距離的增加，沿聲軸方向上聲焦域的可調(diào)控范圍逐漸減小。
　　(3)基于時(shí)間反轉(zhuǎn)法的高聲壓旁瓣消除法可在一定程度上降低焦域附近的高聲壓旁瓣，同時(shí)主瓣聲壓幅值略有降低。
　　4

6、.當(dāng)相控?fù)Q能器設(shè)定焦點(diǎn)間距由4 mm縮短至2 mm時(shí)，獨(dú)立的雙焦域和三焦域逐漸融合成一個(gè)焦域，且隨設(shè)定焦點(diǎn)間距的減小，焦點(diǎn)間的旁瓣幅值逐漸降低、數(shù)量逐漸減少，主瓣最大聲壓幅值先減小后增大。
　　5.多焦點(diǎn)模式聚焦時(shí)，旁瓣主要出現(xiàn)在各焦點(diǎn)間，且隨設(shè)定焦點(diǎn)數(shù)目的增加旁瓣數(shù)量逐漸增多、聲壓幅值逐漸增大。
　　6.離體肝組織中在幾何焦點(diǎn)聚焦時(shí)，實(shí)際形成的焦域呈規(guī)則橢球體狀，且焦域外無(wú)明顯溫升；軸向溫升曲線變化陡峭，主瓣外溫升接近于零

7、。與單焦點(diǎn)聚焦相比，雙焦點(diǎn)聚焦可增大可治療焦域的體積。
　　結(jié)論:
　　1.相控?fù)Q能器形成聲場(chǎng)中的旁瓣與陣元的分布方式有關(guān)，但對(duì)主瓣聲壓無(wú)影響。
　　2.與周期和同心環(huán)分布陣列相比，隨機(jī)分布陣列可明顯降低聲場(chǎng)中的旁瓣聲壓幅值、改善聲場(chǎng)分布。
　　3.單焦點(diǎn)聚焦時(shí)，沿聲軸聚焦位置距離自聚焦形成焦點(diǎn)位置越遠(yuǎn)，主瓣聲壓幅值越小，旁瓣與主瓣的最大聲強(qiáng)比值r越大。同時(shí)偏離聲軸聚焦的位置越遠(yuǎn)，主瓣聲壓幅值越小，旁瓣與主瓣的最