本文關(guān)鍵詞：HIFU相控?fù)Q能器聲壓場和溫度場的數(shù)值仿真研究

  更多相關(guān)文章： HIFU 相控?fù)Q能器 陣元分布 時(shí)間反轉(zhuǎn) 高聲壓旁瓣消除法

【摘要】：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。研究目的相控?fù)Q能器除具有焦域可控的優(yōu)勢外,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、形成聲場中易出現(xiàn)高聲壓旁瓣等問題。這些問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)化兩方面來降低高聲壓旁瓣幅值、改善聲場分布,并通過調(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)。研究方法按照周期、同心環(huán)、隨機(jī)陣元分布方式設(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,通過時(shí)域有限差分法研究其形成的聲壓場和溫度場。單焦點(diǎn)模式下對(duì)不同分布陣列形成的聲壓場進(jìn)行比較,討論不同聚焦位置時(shí)的聲場變化規(guī)律、可調(diào)控范圍,并通過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)目聚焦時(shí)的聲壓場和溫度場變化規(guī)律進(jìn)行分析討論。研究結(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,分布在焦域周圍的旁瓣逐漸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.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,且焦域外無明顯溫升;軸向溫升曲線變化陡峭,主瓣外溫升接近于零。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能器形成聲場中的旁瓣與陣元的分布方式有關(guān),但對(duì)主瓣聲壓無影響。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中的旁瓣聲壓幅值、改善聲場分布。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,旁瓣與主瓣的最大聲強(qiáng)比值r越大,沿聲軸方向上的聲焦域可調(diào)控范圍越小。4.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增大相控?fù)Q能器聲焦域的可調(diào)控范圍。5.當(dāng)設(shè)定焦點(diǎn)間距縮短至2 mm時(shí)獨(dú)立的雙焦域和三焦域可融合成一個(gè)焦域,但焦域形狀不一定規(guī)則。6.多焦點(diǎn)聚焦可增大可治療焦域的體積。
【關(guān)鍵詞】：HIFU 相控?fù)Q能器 陣元分布 時(shí)間反轉(zhuǎn) 高聲壓旁瓣消除法
【學(xué)位授予單位】：天津醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R730.5;TB552
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 縮略語/符號(hào)說明11-12
• 一、前言12-17
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 研究目的14-15
• 1.3 研究內(nèi)容15-17
• 二、數(shù)值仿真方法與模型17-24
• 2.1 聲波非線性傳播方程式17
• 2.2 差分方程式17-21
• 2.2.1 Westervelt方程式的離散化處理17-19
• 2.2.2 聲場邊界處理19-20
• 2.2.3 FDTD法的穩(wěn)定條件20-21
• 2.3 生物熱傳導(dǎo)方程21-24
• 2.3.1 Pennes生物熱傳導(dǎo)方程21
• 2.3.2 熱傳導(dǎo)方程式的FDTD差分21-24
• 三、仿真模型與方法24-31
• 3.1 數(shù)值仿真模型與參數(shù)24-26
• 3.1.1 數(shù)值仿真模型24-25
• 3.1.2 數(shù)值仿真參數(shù)25-26
• 3.2 陣元激勵(lì)信號(hào)的獲取26-29
• 3.2.1 單焦點(diǎn)陣元激勵(lì)信號(hào)26-29
• 3.2.2 多焦點(diǎn)陣元激勵(lì)信號(hào)29
• 3.3 換能器陣列設(shè)計(jì)29-31
• 四、數(shù)值仿真結(jié)果31-45
• 4.1 陣元分布對(duì)形成聲場的影響31
• 4.2 焦點(diǎn)偏離聲軸距離對(duì)形成聲場的影響31-34
• 4.3 設(shè)定焦點(diǎn)位置對(duì)形成聲場的影響34-36
• 4.4 多焦點(diǎn)模式聚焦的聲壓場36-41
• 4.4.1 雙焦點(diǎn)模式聚焦36-38
• 4.4.2 三焦點(diǎn)模式聚焦38-40
• 4.4.3 多焦點(diǎn)聚焦40-41
• 4.5 離體組織內(nèi)形成的溫度場41-45
• 4.5.1 單焦點(diǎn)41-42
• 4.5.2 雙焦點(diǎn)42-45
• 五、結(jié)論與討論45-50
• 5.1 結(jié)論45-46
• 5.2 討論46-50
• 參考文獻(xiàn)50-55
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明55-56
• 綜述56-72
• 綜述參考文獻(xiàn)66-72
• 致謝72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：571293