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聚焦换能器的设计和声场的模拟

刘亚慧  
【摘要】: 高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,简称HIFU)技术是近年来蓬勃发展起来的一种无创外科技术,在临床医学中已经得到了广泛的应用和推广。由于其在治疗过程中无创、无害、安全、有效并且能确保组织的安全性和完整性,因此,得到国内外许多大学和研究机构的重视和关注。这项技术的核心部分就是聚焦换能器,其中包括换能器种类的选择、折声材料的选择、换能器的形状和大小等方面。到目前为止可以实现聚焦的换能器有三种类型:聚焦换能器、声透镜、相控阵聚焦系统。聚焦换能器就是直接把换能器制作成自聚焦曲面型,这类换能器有凹球面型换能器、圆柱型换能器等。用压电陶瓷片直接制作这种换能器工艺比较复杂麻烦,形状受到了材料的制约,因此,在实际应用中受到了很大的限制。相控阵换能器通过电子控制线路可以很方便的调节焦距、焦斑的大小和焦斑的强度,在临床治疗中有很大的实用价值。但由于电子控制线路特别庞大复杂,限制了其投入实用的可能性。声透镜聚焦系统由于其操作方便、结构简单、形状多样、折声材料便宜等方面的优点而在临床医学中被广泛应用。重庆海扶公司生产的许多超声治疗系统,都采用的是声透镜聚焦系统。在本文中笔者设计了一款新型的声透镜聚焦换能器,对其聚焦声场进行了数值模拟计算,给出了聚焦声场的分布变化规律和趋势。本文的主要工作有: 1.数值模拟了凹球面自聚焦换能器,在不同条件下,焦点附近声压的分布变化,并且给出了凹球壳声场的参数模拟值。 2.设计了一款新型的双球面声透镜,并对声透镜的几种折声材料进行了对比研究。从声学特性、加工和经济等多方面考虑,觉得选用有机玻璃作为声透镜的折声材料比较合适。 3.给出了这款新透镜的声压在声场中的分布变化函数,并作了一些简单理论推导。研究了新透镜在不同的参数条件下声场的分布变化情况,并且对声场中的一些参量值进行了数值计算。简单比较了模拟值和理论值,结果比较符合,给出了声场测量的简易实验装置和设备。 从数值模拟和理论计算的结果可以看出,当透镜的参数选取比较适当时,我们可以得到双球面声透镜的声场沿着轴向尽可能长的范围内声束较细、声压较高、旁瓣高度适中的声场。这种声场可以有效的提高透镜的聚焦效果,在高强度聚焦超声技术的应用中发挥着更大的作用。


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