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.     

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。     

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。     

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...     

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。     

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.     

基于椭圆反射体数学模型的超声刀的研究

本研究基于在椭圆体反射面的作用下能量分布的数学模型研制了一种椭圆聚焦超声换能器,该换能器本身具有X刀、γ刀等三维立体定向治疗设备的旋转治疗特点,基于这种换能器的立体定向热疗设备为超声刀,该设备利用椭圆反向聚焦虚拟了另外一个能量源,能不受辐射源外形的限制,将虚拟的能量源放在肿瘤的位置,并且能避免由于焦点所产生的局部热点、加温面积有限等缺点,通过合理的治疗计划实现理想的适形热疗。     

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。     

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。     

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。     

组织温度分布的传热模型

高强度聚焦超声对组织加热时，正确估计组织内的声场及场点分布温度分布和变化是非常重要的，从热量传递概念出发，建立了组织的传热模型，用其对大口径自聚焦换能器的声场在聚焦区城内的温度变化进行估计，了３ｄＢ聚焦区城的大小。     

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。     

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。     

水听器式便携超声参数测量系统的研制

目的：开发了一套测量声输出参数的系统，为进一步研制适用于军事计量巡检工作的便携式仪器奠定基础。方法：采用水听器作为换能器，采集超声信号存空间声场焦平面上一点的声压波形。通过对声压波形的参数进行数值运算，得到所关心的超声声输山参数。结果：能够在误差允许的范围内测量出主要的声输出参数。结论：该方法切实可行，得到的数据可重复性好。     

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。     

用于实时超声成象的12个同芯圆环式超声换能器的进展

同芯圆环式超声换能器近来取得较大进展,从而引起人们广泛地注意。本文介绍一种同芯圆环式超声换能器的研制、特性、声脉声场的理论模型和最佳同芯圆环式换能器参数的选择。并讨论影响成象分辨率和对比度的因素,如声束宽度、旁瓣、圆环数、声场深度和延时时间取值等。作者选用12个同芯圆环,4.5MHz的频率,外直径为30mm     

基于超快超声平面波成像的医学超声探头改进

目的基于平面波发射/接收原理的超快超声成像技术近年来已成为国际医学超声领域的研究热点,有望取代传统的聚焦扫描式超声成像技术。传统方式受其成像模式的限制,无法实现高帧频成像,而通过平面波发射以及相干复合方法,可大大提高超声成像的帧频。本文提出一个新的设想,即采用高程方向无聚焦换能器(non-elevation-focused probe,NEFP),相对于传统的高程方向有聚焦换能器(elevation-focused probe,EFP),可能有助于进一步提高超快超声成像技术的成像效果。方法首先简要介绍平面波相干复合成像的原理和方法,进而通过FieldⅡ软件仿真,验证相干复合成像方法对平面波成像图像质量的提升效果。最后,通过仿真和实验实现探头高程方向的发射声束聚焦模式,并对上述2种模式换能器的平面波成像效果进行了对比分析。结果使用平面波复合成像算法得到很好的成像效果,两种探头经对比,NEFP探头成像图像的对比度相对于EFP探头明显增强。结论对于超快超声成像方法,使用NEFP超声探头可以取得更优的成像效果。     

多频率脉冲超声消除声成象中菲涅耳近场干扰

声场的菲涅耳近场干涉主要是由于换能器的边缘效应所引起,本文研究了采用发射多频率脉冲超声,有效地改善了背景的菲涅耳近场干涉,本文还比较了各种形状的换能器的近场图案,探讨了声全息及声成象最佳成象的声场条件。     

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。