相控阵超声探头声场的建模与仿真

相控阵超声探头可实现电子聚焦和电子扫描,具有重要的应用价值。本文从点声源在空间的声场分布公式着手,依次推导了矩形声源、矩形线阵声源、相控阵声源的远场声场二维分布公式,用数值计算仿真研究了确定各声场的二维分布,并绘制了各声场在xoz平面内和x方向声强分布图,发现线阵的声束受单个阵元声场的调制,通过延迟阵元间施加激励的时间可使声束发生偏转,但同时也会降低主瓣的最大值并增加旁瓣数。     

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。     

用于磁声耦合刺激的64阵元相控阵超声换能器的设计

本研究基于磁声耦合刺激技术(transcranial magneto-acoustic stimulation,TMAS)的需求,设计了用于线性64阵元相控阵的超声换能器,探究相控阵超声换能器压电晶体宽度及间距,优化超声换能器聚焦声场分布.采用MATLAB软件建立相控阵换能器模型,仿真聚焦声场分布.搭建三维声场分布测试...     

一种消除浅表组织病灶的微型线聚焦换能器声场的数值计算与仿真方法

目的:本文涉及一种消除浅表组织病灶的微型线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分布,同时研究柱面自聚焦换能器各个参数对声场的影响,以指导微型自聚焦换能器的设计。方法:本文通过建立三维直角坐标系,应用Rayleigh积分得出微型线聚焦超声换能器聚焦区域内每一点的声强表达式,运用C语言和matlab采用直接数值积分的方法对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:从声场的三维分布可以看出:按照本文给定的条件设计,微型线聚焦超声换能器展现出良好的聚焦性能,形成明显的焦域。和普通的柱面超声换能器相比,小型的柱面超声换能器形成的声场在z轴上的声场分布更均匀,x,y方向上衰减更快。结论:通过不同的参数对声场三维分布影响可以看出:微型线聚焦超声换能器的厚度,半径,张角和长度对聚焦的效果有明显影响。与给定的条件相比,选择较厚、半径和张角较大的换能器,能提高聚焦性能,而换能器的长度对聚焦效果影响不大。     

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。     

矩形超声换能器冲激响应分析

采用冲激响应方法,不需作近换能器轴线区域或远场区域近似,就可完整分析超声换能器的辐射声场。声场中某观察点的速度势由该点的冲激响应和激励脉冲卷积得到。提出了一种矩形超声换能器冲激响应数值计算的通用表达式,克服了目前算法由于矩形几何形态复杂性造成的空间不连续,对冲激响应作脉宽-幅度变换,解决了小孔径换能器的远场数值计算问题。采用不同带宽的激励脉冲,计算了矩形换能器中心轴线声场分布,计算了特定深度冲激响应分布,结果和以往方法一致。     

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。     

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...     

相控阵阵元面加权对压缩旁瓣效果的实验和分析

我们提出一种用阵元面加权压缩旁瓣的方法,理论计算和实验结果表明:这种方法简单。应用这种方法,可以使阵列的旁瓣降低到-26db以下。与主机配合,能够获得2～3mm的横向分辨率。 本文叙述了这一方法的原理和压缩旁瓣的实验结果,给出了用阵元面加权换能器进行相控扫描所获得的人体器官切面图象和横向分辨率照片。与未加权的换能器相比,图象清晰度和横向分辨率都有所提高。     

B型超声诊断仪凸面相控阵探头聚焦声场的计算

本文对B型超声诊断仪中已广泛使用的凸面相控阵探头的聚焦声场给出了表达式,并分别对B型超声诊断仪中经常使用的两种工作频率3.5MHz和7.5MHz的聚焦声场进行了数值计算,找出了比较理想的聚焦范围和波束宽度。 数值计算同时也给出了工作频率、弧阵孔径以及阵元高度对聚焦范围和波束宽度的影响。     

高强度聚焦超声脑肿瘤治疗焦域温度均匀分布调控的数值仿真研究

在高强度聚焦超声(HIFU)脑肿瘤治疗过程中需严格控制治疗温度。本研究通过调控相控换能器激励信号实现了焦域温度均匀分布的目的。首先,本文利用志愿者头部计算机断层扫描(CT)数据和82阵元相控换能器建立开颅HIFU治疗脑肿瘤的三维数值仿真模型,通过叠加聚焦于两个设定目标点的信号并调控两信号间激励时间差和幅值,研究其对HIFU焦域温度分布及焦域形状大小的调控。研究结果表明,两目标点间距离在一定范围内通过调节两激励信号的激励时间差和幅值可以实现焦域内温度均匀分布,同时可调控焦域形状和体积大小。本文研究的仿真结果或可为HIFU安全有效地应用于临床治疗提供理论方法和参考。     

基于遗传算法的经颅磁刺激线圈阵列设计与场分布计算

为解决经颅磁刺激的兴奋点定位问题提出了以圆环面聚焦线圈阵列实现电磁聚焦的方案。而后,使用经过改进的自适应遗传算法对注入阵列各单元线圈电流的大小和相位进行了优化,在目标区域内很好的实现了电磁聚焦。通过计算,显示了线圈阵列在优化后的电流组态下产生的磁场和电场在计算区域内的分布和二维等高线图,表明了该聚焦线圈阵列可在目标区域产生具有良好聚焦性能的电场和磁场分布,并具有可同时聚焦至多个目标的能力。     

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.     

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。     

基于光蚀刻的内窥光声用PVDF环阵换能器

目的:目前光声内窥成像中所用的换能器多属于压电陶瓷定焦换能器,这种换能器制作成本昂贵,且景深有限。基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电膜制作的环阵换能器可以降低制作成本并通过动态聚焦实现更深的景深。方法:为了提高换能器的灵敏度,本文首次提出基于铝电极PVDF薄膜的光蚀刻方法,将其应用于PVDF环阵超声换能器的制作中。结果:相对于传统的基于PCB板的制作方法,光蚀刻法制作的换能器具有更高灵敏度。该换能器包含3个等宽圆环,总尺寸为5.5 mm。声场测试得其纵向分辨率约为0.5 mm,横向分辨率约为0.5 mm,且在15~45 mm范围内都能很好的聚焦。模拟光声内窥仿体实验验证了其在光声内窥成像中的应用潜力。结论:展示了一种基于覆铝PVDF压电膜制作环阵换能器的新方法。该方法制作的换能器在人体大型器官或腔体(如胃肠道和子宫颈)的光声内窥成像中具有良好的应用前景。     

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。     

相控阵超声显象装置

Hewlett packard公司研制出的相控阵超声显象装置能如实地对人体内脏进行扫描,并能显示出其内部结构图象,系一实时的相控阵超声显象仪。这一装备在医院有着广泛的适用范围,可以对胸部或整个腹部作超声扫描。由于采用了相阵扫描技术,可以使超声换能器体积缩小,能在肋骨间诊断。这种超声换能器具有64阵元,可自动聚焦。由     

各向异性传导系数对实体肿瘤间质流体流动影响的二维边界元模拟

目的研究实体肿瘤组织间质各向异性传导系数对流体流动的影响。方法用图像处理方法建立具有实体肿瘤微血管形态和分布特征的二维微血管网络模型, 应用边界元方法数值计算多连通区域内组织液的流动及水力传导系数变化的影响。结果横向与纵向间质水力传导系数的不同, 对整个肿瘤内组织间质压强的分布有明显的影响; 不同函数形式分布的水力传导系数, 影响肿瘤局部区域内间质流体压强的分布。结论各向异性水力传导系数对实体肿瘤组织间质压强有明显影响, 与传导系数变化的范围和肿瘤内微血管网络的形态有关。     

用蒙特卡洛方法模拟和评价电离室矩阵探测器的定位灵敏度

目的:由于阵列式平板探测器内每个电离室单元探测器结构和尺寸的差异,构成了不同厂家生产的探测器阵列在放射治疗质量控制中的地位,各自的优势和不足。本文通过Monte Carlo(MC)模拟对不同面积的准直器遮挡入射束所形成的剂量场分布,并和实验测量的结果进行比较,用于评价不同厂家生产的方形探测器电离室矩阵与圆形探测器阵列的对照射野定义的位置灵敏度。方法:用BEAMnrc软件对电子直线加速器机头建模并模拟6 MV X射线的注量场分布,得到PHASE SPACE(相空间)文件,用DOSXYZnrc计算水模体中探测器的剂量分布范围与实际被照射面积的对应关系,从而评价PTW公司的SEVEN29电离室矩阵(方形探测器)与IBA公司的MatriXX电离室矩阵(圆形探测器)对位置的探测敏感度。结果和结论:PTW公司的SEVEN29和IBA公司的MatriXX两种阵列中单个探测器的定位灵敏度在2%的误差范围内基本一致,在放射治疗中凡是涉及对位置的精度检测的操作过程中,这两种电离室矩阵都可以任意选用,其位置的空间定位精度在1 mm以下。     

基于乳腺肿瘤模型的感应式磁声成像正问题研究

感应式磁声成像(MAT-MI)是一种融合磁感应技术和超声断层扫描技术的新型生物电阻抗成像方法,兼具电阻抗成像高对比度和超声断层扫描技术高空间分辨率的优点。本研究结合电磁场理论推导了MAT-MI在电导率均匀媒质内部和电导率发生突变的两种不同媒质分界面上的声源计算公式,揭示了MAT-MI声源与电导率的关系。模拟物理环境构建三维柱状线圈和乳腺肿瘤模型,借助有限元分析软件ANSYS进行时变电磁场分析,并应用电磁场有限元分析的结果,计算乳腺和肿瘤内部及边界的声激励源分布,应用自由空间波动方程格林函数解计算MAT-MI空间声场分布。仿真结果表明,所推导的计算公式能够直接应用电磁场有限元分析的结果,有效地计算乳腺肿瘤模型的声源和空间声场分布,MAT-MI将是乳腺肿瘤早期筛查、检测和诊断的一种潜在的和有效的医学辅助手段。