一种平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法，本发明专利技术涉及聚焦超声技术领域，其包括步骤如下：S1：基于矩形活塞声源的Rayleigh积分公式及基于全电子聚焦相位调控原理建立平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式；S2：利用该平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式，对轴线声压聚焦增益随着发射频率、阵元间距、阵元尺寸和阵元数量的变化规律进行任意一项或全部仿真。本发明专利技术基于矩形活塞声源的Rayleigh积分公式，先计算推导出单个矩形活塞阵元的辐射声场，然后将n个矩形阵元在观察点的辐射声压进行叠加，得到平面型相控阵的总辐射声压，通过对平面型相控阵的总辐射声压进行归一化处理，推导出平面型相控阵的远场超声聚焦增益，并特别给出了平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式。阵远场的轴线声压聚焦增益公式。阵远场的轴线声压聚焦增益公式。

【技术实现步骤摘要】
一种平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法


[0001]本专利技术涉及聚焦超声
，更具体的，涉及一种平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法。

技术介绍

[0002]高强度聚焦超声(HIFU：High Intensity Focused Ultrasound)是一项蓬勃发展的微/无创治疗技术。目前已在子宫肌瘤、前列腺癌、乳腺癌、肝癌、肾癌、胰腺癌、甲状腺癌、骨转移癌、脑肿瘤、原发性震颤、帕金森病等多种疾病的治疗中得到应用。HIFU通过体外超声换能器将低强度超声波会聚到体内目标病灶组织处形成高强度聚焦超声，利用高强度聚焦超声在目标病灶组织处产生的温升效应、空化效应和机械效应等，使目标病灶组织发生凝固性坏死，同时不会损伤周围正常生物组织，从而实现无创治疗病灶组织的目标[Kennedy，J E.Highintensity focused ultrasound：surgery of the future？[J].Br J Radiol，2003， 76(909)：590
‑
599.]。
[0003]目前，典型的HIFU系统中主要采用球形弯曲的凹面超声换能器作为治疗头 [Ellens N，Lucht B，Gunaseelan S T，et al.A novel，flat，electronically
‑
steered phasedarray transducer for tissue ablation：preliminary results[J].Physics in Medicine& Biology，2015，60(6)：2195
‑
215]，这种治疗头一般包含单个、数十个、数百个或者上千个阵元。鉴于这种治疗头存在一个固有的聚焦中心(即球心)，故而可以简单方便的在其球心(也就是几何焦点)附近实现高强度的超声波能量会聚沉积。不过，这种治疗头在距离其几何焦点相对较远的位置则无法取得很好的超声聚焦效果。如果想在较大的空间范围内都实现比较好的超声聚焦效果，就必须借助机械式的移动系统完成焦点空间位置的切换调控，从而导致HIFU治疗时间相对较长。
[0004]为了尽可能的缩短HIFU治疗时间，减轻患者的痛苦，可以采用全电子式的调控方式来实现焦点空间位置的切换。单次全电子式的焦点调控耗时取决于电子驱动系统和换能器的电激励响应，一般在毫秒级。相比于秒级的机械移动式的焦点调控耗时，焦点调控时间大大减少，从而可以实现缩短HIFU治疗时间的目标。
[0005]不过，全电子式的焦点调控方式必须依靠相控阵超声换能器才可能实现。球形弯曲的凹面相控阵超声换能器虽然可以在几何焦点周边的小范围空间内通过全电子式的焦点调控方式实现较好的超声聚焦效果，但是在远离其几何焦点的大范围空间内则难以通过全电子式的焦点调控方式取得很好的超声聚焦效果。此时必须结合机械移动系统的辅助才可以在大范围空间内实现较好的超声聚焦效果。而Ellens和Hynynen等人的一系列研究则验证了通过平面型相控阵超声换能器实现HIFU治疗中大空间范围内全电子式的焦点调控的可行性[[24]Ellens N， Hynynen K.Frequency considerations for deep ablation with high
‑
intensity focusedultrasound：A simulation study[J].Medical Physics，2015，42(8)]。
[0006]不过，平面型相控阵超声换能器不存在固有的几何焦点，在通过全电子的方式进
行大范围空间内的焦点位置切换调控时，不同焦点对应的聚焦超声场分布也各不相同，并且比具有固定几何焦点的球形弯曲的凹面单阵元/相控阵超声换能器的空间聚焦超声场分布更为复杂。
[0007]因此，探究搭载平面型相控阵的HIFU治疗系统的聚焦性能具有重要意义，有利于加快平面型相控阵HIFU治疗系统进入实际应用阶段。

技术实现思路

[0008]本专利技术为了解决以上现有技术存在的不足与缺陷的问题，提供了一种平面型相控阵HIFU治疗系统聚焦性能仿真方法。
[0009]为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：
[0010]一种平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法，所述的方法包括步骤如下：
[0011]S1：基于矩形活塞声源的Rayleigh积分公式及基于全电子聚焦相位调控原理建立平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式；
[0012]S2：利用该平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式，对轴线声压聚焦增益随着发射频率、阵元间距、阵元尺寸和阵元数量的变化规律进行任意一项或全部仿真。
[0013]优选地，步骤S1，建立平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式具体步骤如下：
[0014]S101：首先推导单个矩形活塞阵元的辐射声场，矩形活塞阵元的中心位于坐标原点，矩形活塞阵元辐射表面位于xOy平面，矩形活塞阵元表面沿着z方向振动；
[0015]S102：对于矩形活塞阵元z方向对应的空间上任意一观察点；将矩形活塞阵元表面分成无限多个小矩形面元，将每一个小矩形面元作为一个点源，计算每一个小矩形面元在观察点产生的声压；
[0016]S103：将所有小矩形面元辐射的声压叠加起来，即得到一个矩形活塞阵元在观察点产生的辐射声压；
[0017]S104：结合步骤S3得到的辐射声压，计算相位补偿θ
0n
、阵元中心坐标(x
n
，y
n
， 0)的第n个矩形阵元在观察点的辐射声压，n＝1、2、...N；
[0018]S105：将步骤S4得到各个辐射声压进行叠加，得到平面型相控阵的总辐射声压；
[0019]S106：对得到平面型相控阵的总辐射声压进行归一化处理，得到平面型相控阵的超声聚焦增益公式。
[0020]进一步地，步骤S102，具体地，所述的观察点的位置矢量为r，r与z轴的夹角为θ，旋转角为根据Rayleigh积分原理，将矩形活塞阵元表面分成无限多个小矩形面元；
[0021]中心位于极径为ρ、极角为σ处的小矩形面元dS，其点源强度为dQ＝v
a
dS，其中，v
a
表示阵元表面振动速度的幅值；则该小矩形面元在观察点产生的声压为：
[0022][0023]其中，ρ
m
是超声传播介质的密度；k＝ω0/c
m
是波数，ω0＝2πf0是角频率，f0表示频率；g是小矩形面元中心到观察点的距离；c
m
是超声传播介质的声速；j 表示虚数单位、ω表示角频率、θ0表示初始相位、k表示波数、t表示时间。
[0024]进一步地，步骤S103，将所有小矩形面元辐射的声压叠加起来，其计算公式如下：
[0025][0026]式中，
[0027]S表示积分面积、(x、y)表示笛卡尔坐标；当r本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法，其特征在于：所述的方法包括步骤如下：S1：基于矩形活塞声源的Rayleigh积分公式及基于全电子聚焦相位调控原理建立平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式；S2：利用该平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式，对轴线声压聚焦增益随着发射频率、阵元间距、阵元尺寸和阵元数量的变化规律进行任意一项或全部仿真。2.根据权利要求2所述的平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法，其特征在于：步骤S1，建立平面型相控阵远场的轴线声压聚焦增益公式具体步骤如下：S101：首先推导单个矩形活塞阵元的辐射声场，矩形活塞阵元的中心位于坐标原点，矩形活塞阵元辐射表面位于xOy平面，矩形活塞阵元表面沿着z方向振动；S102：对于矩形活塞阵元z方向对应的空间上任意一观察点；将矩形活塞阵元表面分成无限多个小矩形面元，将每一个小矩形面元作为一个点源，计算每一个小矩形面元在观察点产生的声压；S103：将所有小矩形面元辐射的声压叠加起来，即得到一个矩形活塞阵元在观察点产生的辐射声压；S104：结合步骤S3得到的辐射声压，计算相位补偿θ
0n
、阵元中心坐标(x
n
，y
n
，0)的第n个矩形阵元在观察点的辐射声压，n＝1、2、...N；S105：将步骤S4得到各个辐射声压进行叠加，得到平面型相控阵的总辐射声压；S106：对得到平面型相控阵的总辐射声压进行归一化处理，得到平面型相控阵的超声聚焦增益公式。3.根据权利要求2所述的平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法，其特征在于：步骤S102，具体地，所述的观察点的位置矢量为r，r与z轴的夹角为θ，旋转角为根据Rayleigh积分原理，将矩形活塞阵元表面分成无限多个小矩形面元；中心位于极径为ρ、极角为σ处的小矩形面元dS，其点源强度为dQ＝v
a
dS，其中，v
a
表示阵元表面振动速度的幅值；则该小矩形面元在观察点产生的声压为：其中，ρ
m
是超声传播介质的密度；k＝ω0/c
m
是波数，ω0＝2πf0是角频率，f0表示频率；g是小矩形面元中心到观察点的距离；c
m
是超声传播介质的声速；j表示虚数单位、ω表示角频率、θ0表示初始相位、k表示波数、t表示时间。4.根据权利要求3所述的平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法，其特征在于：步骤S103，将所有小矩形面元辐射的声压叠加起来，其计算公式如下：式中，S表示积分面积、(x、y)表示笛卡尔坐标；当r远大于矩形阵元的尺寸时，也就是远场时：
g≈r
‑
ρcos(r，ρ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，r表示矩形阵元中心到观察点的距离；计算得到的p即为一个矩形阵元在观察点产生的辐射声压。5.根据权利要求4所述的平面型相控阵HIFU治疗系统的聚焦增益仿真方法，其特征在于：对得到一个矩形阵元在观察点产生的辐射声压进行优化如下：将式(5)中振幅中的g采用矩形阵元中心到观察点的距离r来代替；而相位中的g则用(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王祥达，郭甲，李洪伟，滕世国，林伟军，吕根品，李建霖，
申请(专利权)人：韶关东阳光科技研发有限公司，
类型：发明
国别省市：