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高强度聚焦超声焦域声场特性的数值仿真研究

李文龙  
【摘要】:目的:研究不同人体组织、人体组织结构、聚焦方式以及不同阵元激励函数对焦点区域的位置、大小及其声压和能量密度分布的影响。为HIFU治疗计划和治疗方案的制定提供理论方法和理论依据。 方法:利用森田长吉等人提出的超声波非线性传播的时域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)仿真方法,和圆柱坐标系的特性,对具有轴对称特性的水体和特定条件下的人体组织内声波传播,采用两个方向的计算方法分析三维问题,对于不具有轴对称特性人体组织内声波的传播,采用不同组织分界判断的方法进行三个方向的三维仿真,研究不同的激励波形对HIFU形成焦点区域形状、大小位置的影响;分析圆环相控聚焦法对浅层能量密度的影响因素;讨论与换能器声轴非垂直人体组织对焦区的影响。 结果:(1)在相同模型条件下,换能器采用不同形状的激励波形形成的焦区声压分布和焦距都不同。 (2)相控圆环聚焦法中,改变聚焦圆环到阵列的距离Rh和聚焦圆环的直径d可以改变距阵列60mm以后浅层断面上的能量密度。改变阵元的直径R几乎对浅层能量密度分布没有影响。 (3)换能器声轴与人体组织不垂直,小于90°时,角度越小,焦区向垂直于声轴的上、下两个方向偏移的距离越大。不同人体组织内形成的焦区偏移方向不同。 结论:利用森田长吉等人提出的FDTD超声非线性仿真方法,研究了不同振动子激励波形对焦点区域声压分布的影响;对不同相控圆环聚焦参数对浅层内能量密度的影响进行了分析研究,为HIFU治疗计划的制定提供了理论数据。同时参照临床治疗实际,建立不具有轴对称的三维仿真模型,为以后三维实际人体组织的仿真计算,建立了简洁有效的仿真方法及仿真程序。


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