hifu相控换能器声压场和温度场的数值仿真研究

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1、分类号：R318.5学校代码：10062密级：学号：2012602146硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目：HIFU相控换能器声压场和温度场的数值仿真研究TITLE：TheNumericalSimulationStudyofAcousticPressureFieldandTemperatureFieldaboutHIFUPhasedArrayTransducer一级学科：生物医学工程二级学科：论文作者：韩珍珍指导教师：菅喜岐天津医科大学研究生院二〇一五年五月分类号：R318.5学校代码：10062密级：学号：2012602146学位类别：

2、科学学位专业学位学科门类：工学硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目：HIFU相控换能器声压场和温度场的数值仿真研究TITLE：TheNumericalSimulationStudyofAcousticPressureFieldandTemperatureFieldaboutHIFUPhasedArrayTransducer一级学科：生物医学工程二级学科：论文作者：韩珍珍指导教师：菅喜岐天津医科大学研究生院二〇一五年五月学位论文原创性声明本人郑重声明：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

3、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：日期：年月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送交论文，并编入有关数据库。保密，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。（请在相对应的方框内打“√”）学位论文作者签名：日期：年月日导师签名：

4、日期：年月日中文摘要超声换能器是高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的关键部件之一。固定焦距的单阵元换能器已应用于乳腺癌、子宫肌瘤、前列腺癌等实体软组织肿瘤的临床治疗，但治疗定位需要机械调整患者和换能器的相对位置，而相控换能器可通过相位调控实现焦距可调和多焦点聚焦，使治疗时间缩短的同时，可对焦域位置有效控制，相控换能器的研究受到众多学者广泛关注。研究目的相控换能器除具有焦域可控的优势外，还存在所需阵元数目较多、结构复杂、相控及激发电路生产成本高、形成声场中易出现高声压旁瓣等问题。这些问题限制了其在临床治疗中的应用。为解决相控换能器临床应用的问题，关键是在较少阵元数目条件下保

5、证阵列具有良好的聚焦性能。本文以82阵元相控换能器为例建立数值仿真模型，从阵元分布、各阵元激励信号的优化两方面来降低高声压旁瓣幅值、改善声场分布，并通过调整焦点个数和焦点间距大小实现较大体积肿瘤的治疗，从而为相控换能器的临床应用提供理论数据和参考依据。研究方法按照周期、同心环、随机阵元分布方式设计82阵元相控换能器，并建立三维数值仿真模型，基于时间反转法数值仿真获取各阵元的相位控制信号。利用Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程，通过时域有限差分法研究其形成的声压场和温度场。单焦点模式下对不同分布阵列形成的声压场进行比较，讨论不同聚焦位

6、置时的声场变化规律、可调控范围，并通过高声压旁瓣消除法扩大随机分布相控换能器的可调控范围。多焦点模式下，通过调整焦点间距大小实现多焦点融合，对不同焦点数目聚焦时的声压场和温度场变化规律进行分析讨论。研究结果1.周期、同心环和随机三种分布阵列的主瓣声压变化基本一致，而周期和同心环分布阵列旁瓣与主瓣的最大声强比值r均明显高于随机分布阵列。2.随着相控换能器设定焦点位置偏离换能器声轴距离的增加，主瓣声压幅值逐渐减小，旁瓣与主瓣的最大声强比值r逐渐增大，分布在焦域周围的旁瓣逐渐移至偏离声轴的反方向，且旁瓣数量逐渐增多、幅值逐渐增大。3.相控换能器设定焦点沿声轴方向聚焦时的

7、研究结果如下：I(1)随着声轴上设定焦距值的增加，主瓣声压幅值先增大后减小、旁瓣与主瓣的最大声强比值r先减小后增大。(2)偏离声轴不同距离聚焦时，声轴上形成最大主瓣声压、最小r值的位置不同，且随着设定焦点位置偏离声轴距离的增加，沿声轴方向上声焦域的可调控范围逐渐减小。(3)基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上降低焦域附近的高声压旁瓣，同时主瓣声压幅值略有降低。4.当相控换能器设定焦点间距由4mm缩短至2mm时，独立的双焦域和三焦域逐渐融合成一个焦域，且随设定焦点间距的减小，焦点间的旁瓣幅值逐渐降低、数量逐渐减少，主瓣最大声压幅值先减小后增大。5.多焦点模

8、式聚焦时，