开口柱面换能器声场分析

目的:聚焦超声治疗妇科浅表组织疾病中存在聚焦换能器和定位探头同时放置的问题,在实际的治疗头设计中必须考虑放置B超探头对聚焦声场的影响,本文涉及一种开口柱面换能器聚焦超声声场的数值计算与仿真,通过计算得出声场的三维空间分布,同时研究柱面自聚焦换能器中不同开口形状、位置、面积大小对声场的影响,以指导开口换能器的实际设计。方法:本文通过建立三维直角坐标系,应用Rayleigh积分得出柱面换能器聚焦区域内每一点的声强表达式,运用C语言和matlab采用变步长辛卜生二重积分的方法对开口柱面聚焦超声换能器的声场进行了数值计算和仿真,得出声场的三维分布。结果:对开口的不同形状、大小、位置的声场分布仿真结果表明:不同开口形状都会使聚焦区域声压幅值下降,开口半径增大,声压表现为下降的趋势,Z轴向的声压在换能器的边缘较大,中间小。随着开口中心位置距原点的距离越大,Z轴向的声压分布越不均匀,而对聚焦位置影响不大。结论:通过不同开口参数对声场三维分布影响可以看出:柱面超声换能器的开口形状、位置、面积对聚焦区域的声压均有明显影响。与给定的条件相比,选择位置居中、面积较小、的换能器,能使聚焦性能得到提高,而换能器的开口形状对聚焦效果影响不大。     

用于治疗宫颈疾病的微型自聚焦超声换能器聚焦特性与图像特征

目的:设计用于治疗妇科宫颈疾病的环状凹球面自聚焦超声换能器,并对其聚焦性能进行检验.方法:采用正负声源的方法,对该环状凹球面自聚焦超声换能器的轴向声场强度分布进行模拟仿真,并利用自定义的声场分布系数(SIDC)的物理意义对该换能器进行优化设计.最后采用离体器官组织牛肝实验所得损伤区域的图像特征分析来检验该换能器的聚焦特性.结果:在保证一定的机械强度和设计约束条件的基础上(固有频率为6 MHz～12 MHz),所设计的内环直径为6 mm,外环直径为12mm的Ⅰ型和内环直径为3 mm,外环直径为7.5 mm的Ⅱ型换能器的SIDC都达到了各自约束条件下的最大值.离体器官组织牛肝实验的结果也显示了焦点附近的损毁区域的轴向长度与仿真结果一致:且Ⅱ型换能器的SIDC值大于Ⅰ型换能器,其损伤区域的轴向长度更长且分布也更加均匀.结论:相同能量条件下,SIDC值较大的自聚焦超声换能器的损伤区域轴向长度更大且分布更加均匀.     

线阵B超的声场分布

线阵B超的成象区域都是在近中场,用简单的Fraunhofer近似研究组织中的声场分布是不恰当的。然而,整个阵列的激励声场是各单个阵元的激励声场的迭加,而且单个阵元的声场在大部分成象区域内都满足远场条件,可以用Fraunhofer近似处理得到较简单的声场分布函数。用单阵元分布函数迭加所得的换能器声场分布的数值计算,比计算经典的Fresnel积分的运算量要小得多。计算结果表明:换能器阵列在成象区域内的非聚焦声场与矩形平板换能器声场的近中场分布规律相近,适当引入延时可以使阵列换能器的声束有效会聚而实現电子聚焦。当换能器口径一定时,电子聚焦的最小焦距受阵元宽度限制。超声仪器对组织后向散射信号的接收是发射的逆过程,可以用相同的函数描述。同样,也可以通过适当的延时实現电子聚焦,从而进一步提高成象的分辨力。     

任意三角形和六边形超声阵元及其高填充率阵列的声场仿真研究

为提高超声设备中二维相控阵列聚焦换能器的面积填充率,提升聚焦区域的超声能量和治疗效率,本研究利用空间脉冲响应理论对任意三角形阵元进行声场计算,通过对三角形阵元进行二维平面旋转完成了六边形阵元声场仿真,并通过对六边形阵元进行三维空间旋转实现了球面阵列聚焦换能器声场仿真。仿真结果显示,六边形7阵元球面填充率提高了6.1%,其-6 dB焦域横向宽度为2.0 mm、纵向长度为30.1 mm; 19阵元球面填充率提高了5.5%,其-6 dB焦域横向宽度为1.2 mm、纵向长度为9.8 mm,可实现高精度超声治疗。本研究可为任意三角形和六边形及不规则形状阵元声场仿真提供新方法,且为高填充率的球面聚焦超声换能器设计提供新思路。     

高强度聚焦超声换能器声场的数值仿真与实验测量

目的 高强度聚焦超声(HIFU)肿瘤治疗过程中,HIFU换能器形成的声场分布是决定其治疗效果的关键因素之一,为了提高HIFU肿瘤治疗的安全性和可靠性,需要对HIFU换能器形成的声场进行预测.方法 采用时域有限差分(FDTD)法数值仿真水体内形成的声压分布与实验测量结果对比的研究方法,分析讨论了HIFU换能器在不同激励功...     

活塞聚焦换能器引起温度提升的研究

由于高强度聚焦超声的出现,活塞聚焦换能器引起的温度场日益受到重视.本研究基于生物热传导方程(Pennes方程)及高斯声束叠加法理论,给出了由活塞聚焦超声引起的温度提升理论模型,并计算温度场的横向分布.实验采用猪的肝脏组织和脂肪组织,采用活塞聚焦换能器加热的方法,用热电偶测量可组织内的温度提升,并将计算结果与实验结果进行了对比分析.结果表明:在弱聚焦且声源强度小于3.0 wW/cm2的情况下,此模型可准确预测生物组织的温度分布,生物组织温度的提升主要决定于线性声场,并且与换能器参数有关,温度的提升随着换能器的声功率、频率、半径的增加而增加,随焦距的增加而减小,随媒质的灌注长度的增加而增加.     

柱面换能器声场在组织中的温度分布估计

本文分析了柱面聚焦换能器的声场特点,剖析了方向比（ratio）与声场的关系。结果表明：声场随方向比的降低而焦点强度减弱,声强最大值前移。在求解声场的基础上,对该类换能器的声场在组织中的温度分布进行估计,给出了组织内温度随时间变化的曲线,分析了方向比（ ratio）对焦区温度分布的影响,为该类换能器的参数选择和组织中的温度分布估计提供了参考。     

医用高斯型聚焦超声换能器

本文说明了具有高斯型表面速度分布的医用聚焦超声换能器的理论分析、结构设计和声场测试方法。该换能器由N_8S_2压电陶瓷制成,等效半径3mm,谐振频率2.5MHz。焦长5.9cm的声透镜由环氧树脂制作。利用声场测试仪测量了该换能器的发射声压分布状况,其发射声束出声光衍射装置成象。所研制的换能器的近场特性比常用的具有均匀振速分布的平片换能器及具有4.8mm等效半径的高斯聚焦超声换能器好得多。在发射束中几乎见不到声压的极大和极小值起伏,而且副瓣减少。     

HIFU治疗中媒质特性对声聚焦影响的研究

目的:研究声衰减系数、声速、温度等媒质参数对声聚焦的影响。方法:用瑞利积分对凹球面自聚焦超声换能器进行声场模拟。结果及结论:媒质的特性参数不同,聚焦表现不同的特点。声衰减系数增大,焦斑向声源靠近,且焦斑缩短;声速越大,焦距越小,但焦区最大声压升高,焦斑的面积增大;温度变化不大时对声聚焦的影响不明显。     

基于声换能器特性的三维磁感应磁声成像重建算法

为了完善磁感应磁声成像算法,使其在真实声检测系统下都适用,研究声换能器特性对磁感应磁声成像重建效果的影响。依据换能器声场分布测量数据,采用插值方法建立真实声换能器三维声场分布模型,利用格林函数法及离散化方法建立磁感应磁声成像正逆问题算法。为了验证该算法,分别采用球扫描和柱扫描方式进行仿真。基于S L CT仿真模型建立三维仿体电导率模型,用有限元方法对瞬态电磁场进行分析,根据计算的涡流分布结果,使用Matlab进行数值计算。仿真结果表明：该算法可基本重建出原始力源的分布,重建图像的相关系数分别达到98.49%和94.96%,对一般声换能器比较适用。该研究为进一步的实验研究和实验重建的精确性提供理论依据。     

组织声学特性对高强度聚焦超声温度场的影响

目的 数值仿真组织声学特性对高强度聚焦超声（HIFU）焦域处温度场的影响,为HIFU治疗安全性和可靠性提供理论依据.方法 以实测新鲜离体猪肝组织不同温度下的声速和衰减系数为依据,利用时域有限差分（FDTD）法数值仿真研究HIFU治疗过程中组织内声速、衰减系数的变化和温度场的分布,分析讨论声速和衰减系数变化对60 ℃以上可治疗区域大小、位置的影响.结果 随着照射时间的延长,焦域处肝组织温升增大,声速下降,声衰减系数增大.随着声速的变化,形成的可治疗区域变大,焦点位置向远离换能器方向移动;随着声衰减系数的变化,焦域大小和焦点位置几乎不变.结论 猪肝组织内声速的变化对可治疗焦域的位置和大小影响较大;声衰减系数的变化对焦域的影响较小.     

声衰减与非线性对双频聚焦声焦域的影响

目的：探讨声衰减与非线性对双频聚焦超声声焦域的影响。方法：利用瑞利积分的线性叠加算法数值模拟计算。并在辐照离体生物组织中进行实验验证。结果：随着声衰减系数的增大与非线性的增强．双频声焦域从“椭球形”变成“蝌蚪形”,并且焦域向着换能器方向移动,但声衰减的影响较非线性大。结论：声衰减与非线性对焦域影响较大,在实际应用中应予考虑。本文在利用瑞利积分的线性叠加算法,研究了媒介声衰减与高声强引起的非线性对差频相干模式下的双频聚焦声场焦域的影响。结果表明,随着声衰减系数的增大与非线性的增加。双频声焦域从“椭球形”变为“蝌蚪形”．并且焦域向着换能器方向移动．但声衰减的影响较非线性大。并在离体牛肝的损伤实验中得到初步验证。     

高强度聚焦超声在医学领域中应用的新进展

本文综述了国内外在高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound，HIFU）技术方面研究与应用的新进展。介绍了HIFU的治疗功能原理，特别给出了焦斑半径的具体计算公式和对相关组织的热效应、空化效应、机械效应，辐照效应等损伤机理，重点研究了热效应随声波频率及声强变化的规律。给出了HIFU的一般试验模型即分层组织模型以及HIFU应用与临床的情况。重点研究了HIFU源，主要讨论了换能器的聚焦方式（1）球面自聚焦换能器，（2）声透镜聚焦换能器，（3）大功率多元超声换能器，（4）电子扫描或相控阵列聚焦换能器，以及频率选择与目标深度和辐照强度的关系，并指出与其匹配的几类聚焦换能器的优缺点，列举了HIFU技术在泌尿科、肿瘤学、神经外科、眼科、妇科、止血以及其他医学领域中的最新应用。最后评价了目前HIFU在治疗方面的优势与某些不足以及可能改进的有效措施．展望了HIFU技术广阔的应用前景．     

用于动物实验的阵列式超声脑刺激器

目的:设计用于动物实验的阵列式超声脑刺激器,以解决单换能器无法校正散焦以及焦点不可控的问题。方法:刺激器采用16路的阵列换能器,每一路都有独立的匹配电路和驱动,延时电路和脉冲发生电路都集成在FPGA,并与上位机控制界面相连。然后,用水听器测量延时时间,并根据相位补偿原理校正和操纵焦点。最后用水听器扫描测量声场分布,以检测焦点校正和偏移的情况。结果:声场测试结果表明散焦得到校正,焦点声压提高了23%,旁瓣声压均比主瓣低6 dB以上,-6 dB焦域尺寸为dx=3 mm、dy=3 mm、dz=14 mm。操纵焦点从原点O左右上下各偏移了2 mm。结论:阵列式超声脑刺激器具有校正焦点和操纵焦点偏移的功能,为超声脑刺激研究提供了一个有用工具。     

遗传算法在256阵元相控阵高强度聚焦超声治疗系统多焦点控制中的应用

阐述了遗传算法优化多点超声聚焦的方法以及球面相控阵声场计算方法。对实验室研发的256阵元相控阵聚焦超声治疗系统作了简介。利用此遗传算法和声场计算方法，对轴上和离轴单焦点以及轴对称六焦点和非轴对称四焦点进行了256阵元相控阵的声场仿真，并观察了实验室研发的256阵元相控阵聚焦超声治疗系统作用于有机玻璃和透明仿体的实验结果。用遗传算法和声场计算方法的仿真和系统实验结果表明，此方法可在实际聚焦手术中准确地控制3维单焦点和3维多焦点。     

Comparison of modelled and observed in vivo temperature elevations induced by focused ultrasound: implications for treatment planning

Two numerical models for predicting the temperature elevations resulting from focused ultrasound heating of muscle tissue were tested against experimental data. Both models use the Rayleigh-Sommerfeld integral to calculate the pressure field from a source distribution. The first method assumes a source distribution derived from a uniformly radiating transducer whereas the second uses a source distribution obtained by numerically projecting pressure field measurements from an area near the focus backward toward the transducer surface. Both of these calculated ultrasound fields were used as heat sources in the bioheat equation to calculate the temperature elevation in vivo. Experimental results were obtained from in vivo rabbit experiments using eight-element sector-vortex transducers at 1.61 and 1.7 MHz and noninvasive temperature mapping with MRI. Results showed that the uniformly radiating transducer model over-predicted the peak temperature by a factor ranging from 1.4 to 2.8, depending on the operating mode. Simulations run using the back-projected sources were much closer to experimental values, ranging from 1.0 to 1.7 times the experimental results, again varying with mode. Thus, a significant improvement in the treatment planning can be obtained by using actual measured ultrasound field distributions in combination with backward projection.     

凹球面聚焦超声换能器用于热疗时在人体内引起的瞬态温度场

本文引入了虚拟热源的概念,分析了边界条件对升温的影响及加热时间及温度场点位置的关系,详细研究了声源参数及生物组织特性参数对治疗区升温快慢的影响,比较了聚焦参数相同的册球面换在和高斯换能器声焦点的瞬态温度,所得结果对超声热疗的实施具有指导作用。