64阵元相控换能器声压场的数值仿真研究

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1、万方数据分类号：11318．5密级：学位类别：科学学位团专业学位口学校代码：学号：学科门类：1O0622011602038工学夭肄眚斜鼻普TI舢lN■EOIC^LU糊n嘻日融懿1Y硕士学位论文MLASTER’SDISSERTATION论文题目：64阵元相控换能器声压场的数值仿真研究TITLEAcousticFieldSimulationof64．elementPhasedArray一级学科：生物医学工程二级学科：论文作者：周文征指导教师：菅喜岐教授导师组成员：天津医科大学研究生院二。一四年五月万方数据学位论文原创性声明本人郑重声

2、明：所呈交的论文是我个人在导师指导下独立进行研究工作取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：2虱叁丝日期：弦j斗年乡月冲日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津医科大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构

3、送交论文，并编入有关数据库。保密口，在——年解密后适用本授权书。本论文属于不保密囹。(请在相对应的方框内打“√”)学位论文作者签名：导师签名：7D7牛年媚舛曰硼7牛年r月湘万方数据天津医科大学硕士学位论文中文摘要高强度聚焦超声(HighIntensityFocusedUltrasound，HIFU)是无创或微创的肿瘤治疗技术。聚焦超声换能器技术是HIFU临床治疗系统的关键技术之一。目前，HIFU临床治疗中使用较为广泛的是单阵元换能器，单阵元换能器焦点固定且单一，需通过机械式调整换能器与患者的相对距离实现扫描治疗。多阵元相控换能器

4、可通过阵元相位控制实现变焦距和多焦点聚焦，但相控换能器控制电路和制作工艺复杂，造价高，且聚焦效果受换能器参数影响较大，使临床治疗的安全性和有效性不能保障，目前只有少数HIFU系统中应用了相控换能器。在HIFU肿瘤治疗中，相控换能器结构和参数，直接影响形成焦域的声场分布，通过数值仿真方法对比研究这些参数对HIFU形成可治疗焦域的影响很有必要。研究目的通过研究相控换能器阵元分布和结构参数对声场分布的影响来提高聚焦效果，并通过相控换能器单焦点、双焦点聚焦时声场变化规律为HIFU临床治疗提供有效的理论数据和参考依据。研究方法首先建立含有

5、64阵元相等环距阵元分布和不等环距阵元分布的相控换能器数值仿真模型，采用Westervelt声波非线性传播方程式，通过FDTD时域有限差分法数值仿真HIFU形成声压场。利用曲面自聚焦法仿真研究不同频率对64阵元换能器形成声场的影响。采用时间反转方法控制换能器阵元发射的超声波使其聚焦到目标焦点位置，以旁瓣与主瓣最大声强比值O．25作为安全阈值，仿真对比阵元分布以及阵元直径和环距不同时相控换能器聚焦的声场分布，并对阵元直径为8．5mm，环距为7mm的相控换能器单焦点和多焦点聚焦时声场变化规律进行研究，具体分析内容和研究结果如下。研究

6、结果1．在水体中频率为0．5．0．8MHz时，频率越大，焦点声压和旁瓣越大，焦点位置越靠近换能器。2．在声轴上目标焦点聚焦时，不等环距阵元分布的换能器焦点声压小于相万方数据天津医科大学硕士学位论文等环距阵元分布的换能器，且在几何焦点之后聚焦时旁瓣与主瓣最大声强比值为O．46，超过安全阈值0．25。3．阵元直径8mm时，环距为7mm时在目标焦点处旁瓣与主瓣最大声强比值比环距为8mm的换能器比值小；环距为7mm时，阵元直径为8．5mm时旁瓣与主瓣最大声强比值比阵元直径为8mm时小，焦点处声压比阵元直径为8mm时大。4．对于阵元直径为

7、8．5mm，环距为7mm的相控换能器的研究结果如下：(1)在声轴及偏离声轴的各目标焦点处均形成了椭圆形焦域，当目标焦点沿声轴方向焦距不小于80mm时，焦点声压降低，旁瓣增大。(2)旁瓣与主瓣最大声强比值随着设定焦距的增加先减小后增大，焦点处声压先增大后减小。偏离声轴越远，旁瓣与主瓣最大声强比值在0．25以下的焦距范围越小，焦点声压越低。(3)双焦点模式聚焦时，两焦点距离从7mm缩短至4mm时焦点间旁瓣先增大后减小，焦点间距离从3mm缩短至2．5mm时，两焦域逐渐连为一体。(4)当对五个焦点同时进行聚焦时，可在目标焦点位置形成焦域

8、，焦域间会出现旁瓣。综合上述结果得到如下结论：1．频率会对焦点声压、旁瓣幅值以及焦域大小产生影响。2．不等阵元分布的相控换能器聚焦效果比相等阵元分布的相控换能器差。3．相等阵元分布的换能器可实现一定范围内相控聚焦。4．单焦点聚焦时，偏离声轴位置越远，旁瓣与主瓣最