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声学技术 2023年第2期42卷 263-268页

作者：陆晓丹曾德平重庆医科大学生物医学工程学院超声医学工程国家重点实验室重庆市生物医学工程重点实验室重庆400016 超声医疗国家工程研究中心重庆401121

针对阿基米德螺旋相控阵换能器焦点声压不足的问题,通过有限元仿真,分别讨论了换能器阵元形状和频率改变与声场的变化关系,从焦点声压、偏转范围、栅瓣水平、焦域大小等方面进行了研究。结果表明,相同频率下,扇形阵元阿基米德螺旋相控... 详细信息

针对阿基米德螺旋相控阵换能器焦点声压不足的问题,通过有限元仿真,分别讨论了换能器阵元形状和频率改变与声场的变化关系,从焦点声压、偏转范围、栅瓣水平、焦域大小等方面进行了研究。结果表明,相同频率下,扇形阵元阿基米德螺旋相控阵换能器的焦点声压比圆形阵元时的焦点声压提高了32.28%,偏转范围为20 mm×20 mm×40 mm;在扇形阵元形状的情况下,频率选择0.9~1.0 MHz,不仅能获得较高的焦点声压,同时还能保证改善聚焦性能。文章的仿真结果为阿基米德螺旋相控阵换能器提高焦点声压,满足深部组织消融治疗需要的高功率要求提供了有用的设计参考。

关键词：阿基米德螺旋相控阵焦点声压偏转范围有限元仿真

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激光光束检测圆对称超声换能器焦点声压的可行性

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激光杂志 2014年第9期35卷 103-105页

作者：王华重庆医科大学生物医学工程学院重庆400016

根据Raman and Nath理论,光在声场中传播可认为是在多层薄光栅中传播,而薄光栅的参数则由光栅平面内的声场分布决定。本文通过圆对称聚焦换能器在焦平面附近的声场分布,得到光束的偏转角与换能器焦点声压的关系。通过测量光束偏转距离... 详细信息

根据Raman and Nath理论,光在声场中传播可认为是在多层薄光栅中传播,而薄光栅的参数则由光栅平面内的声场分布决定。本文通过圆对称聚焦换能器在焦平面附近的声场分布,得到光束的偏转角与换能器焦点声压的关系。通过测量光束偏转距离得到换能器焦点声压。虽然本文的声压与偏转角的关系是基于理想超声聚焦换能器的线性理论,但通过激光检测声压与光纤水听器测量的结果,表明该方法可用于检测较高的焦点声压检测。

关键词： Raman and Nath理论焦平面声场分布焦点声压激光光束偏转距离

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脉冲高强度聚焦超声脉冲参数与焦点声压的关系研究

脉冲高强度聚焦超声脉冲参数与焦点声压的关系研究

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作者：史学豹重庆医科大学

学位级别：硕士

高强度聚焦超声（HighIntensity Focused Ultrasound，HIFU）技术是一种新兴的发展迅速的非侵入治疗技术，目前已经被用于多种肿瘤、非肿瘤疾病的临床治疗中，并取得了很好的疗效。HIFU的作用机制主要是热效应、空化效应和机械效应，临... 详细信息

高强度聚焦超声（HighIntensity Focused Ultrasound，HIFU）技术是一种新兴的发展迅速的非侵入治疗技术，目前已经被用于多种肿瘤、非肿瘤疾病的临床治疗中，并取得了很好的疗效。HIFU的作用机制主要是热效应、空化效应和机械效应，临床上主要依靠HIFU的热效应及空化效应达到肿瘤消融的目的。HIFU治疗过程中，空化现象产生的空化气泡能促使靶区温度的进一步升高，一定程度上有助于目标的消融，但持续的HIFU辐照过程中，大量的空化气泡使声波在焦前区发生散射产生屏蔽作用，热量随之在焦前区累积，使辐照的损伤横向面积变得更大，同时损伤位置向换能器方向移动，损伤形状也由分布均匀的“雪茄型”变化为“蝌蚪形”，影响治疗的精度。随着HIFU研究的不断深入和临床应用，人们发现低占空比、短持续时间的脉冲高强度聚焦超声（Pulsed High Intensity FocusedUltrasound,PHIFU）辐照生物组织时，能够依靠超声的机械效应精准地摧毁靶区组织而不引起焦区温度的显著上升，PHIFU辐照过程中由于脉冲持续时间短，空化现象未及发生或者会有少量空化出现，但少量的空化气泡不会对声能产生显著的屏蔽作用，同时焦点声压值能够瞬时达到很高数值，依靠PHIFU焦区的高声压作用达到对摧毁靶区组织的目的，这对于提高治疗精确性和操作可控性具有潜在优势。PHIFU辐照过程中不同脉冲宽度及占空比参数对焦点声压会有怎样的影响、空化现象出现后焦区声压的具体变化，成为目前亟待研究的问题。基于此，本文分析了现有声场测量的方法，并对声光折射法进行了近似，用于测量脉冲聚焦声场的焦点声压;针对现有超声换能器不能方便地进行脉冲参数调整，本文提出了一种基于AD9850的可调脉冲信号发射器，可方便进行脉冲宽度的调整，最小脉冲宽度可至0.1ms，在此基础上测量了不同脉冲宽度参数，及脉冲间隔参数下，焦点声压随输入电压的变化数据，并与连续波辐照下进行对比，得出不同的脉冲参数下，焦点声压的变化规律及焦点的声压极值，为后续临床实验及仪器开发提供基础，结果显示在脉冲宽度大于1ms时，不同的脉冲宽度参数及脉冲间隔参数输入下，焦点声压随电压变化规律一致，空化现象出现后焦点声压仍会继续升高并达到极值，空化气泡大量出现后焦区声压下降，焦区声压极值达10MPa。

关键词：高强度聚焦超声脉冲高强度聚焦超声脉冲参数焦点声压声光折射法

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脉冲高强度聚焦超声参数设置与焦点声压的关系

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世界科技研究与发展 2012年第6期34卷 1000-1003,1013页

作者：史学豹赵纯亮宋柯王华重庆医科大学生物医学工程学院省部共建超声医学工程国家重点实验室超声医学工程重庆市市级重点实验室重庆400016 超声医疗国家工程研究中心重庆401121

脉冲高强度聚焦超声(PHIFU)对于提高治疗精确性和操作可控性具有潜在优势,PHIFU辐照过程中不同脉冲宽度及占空比的设置对焦点声压、空化现象出现后焦区声压的具体影响,成为目前迫切需要研究的问题。基于此,本文通过声光折射法测量了脉... 详细信息

脉冲高强度聚焦超声(PHIFU)对于提高治疗精确性和操作可控性具有潜在优势,PHIFU辐照过程中不同脉冲宽度及占空比的设置对焦点声压、空化现象出现后焦区声压的具体影响,成为目前迫切需要研究的问题。基于此,本文通过声光折射法测量了脉冲宽度为1 ms、10 ms、100 ms,脉冲间隔分别为100 ms、200 ms、500 ms、1000 ms时焦点声压随输入电压的变化数据,并与连续波辐照下的数据进行对比,结果显示在脉冲大于1 ms时,不同脉冲参数的焦点声压随电压变化规律一致,空化现象出现后焦点声压仍会继续升高并达到极值,空化气泡大量出现后焦区声压下降。

关键词：脉冲高强度聚焦超声脉冲参数焦点声压声光折射法

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基于激光偏转法的非线性HIFU声场焦点声压检测

基于激光偏转法的非线性HIFU声场焦点声压检测

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作者：黎付重庆医科大学

学位级别：硕士

研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)焦点声压是HIFU声场的一个重要参数,焦点声压检测对HIFU设备的研制和应用具有重要的指导意义。近年来,高强度聚焦超声发展迅速,其焦点声压最高可达108Pa量级。随着HIFU... 详细信息

研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)焦点声压是HIFU声场的一个重要参数,焦点声压检测对HIFU设备的研制和应用具有重要的指导意义。近年来,高强度聚焦超声发展迅速,其焦点声压最高可达108Pa量级。随着HIFU声场焦点声压的增高,声场的非线性效应也随之增强,声场情况变得更为复杂,大大增加了声场检测难度,目前还没有完全理想的检测方法能准确测量非线性HIFU声场的焦点声压。目前针对高强度聚焦超声焦点声压定量检测的方法有水听器法(包括压电水听器、薄膜水听器、光纤水听器等)、声光衍射法、激光测振法等。压电水听器只适合用于测量低功率驱动下的声压,高功率驱动换能器时,会使焦点处产生非线性效应而导致传感器灵敏度降低,甚至可能损坏水听器;而且测量时需将水听器置于声场中,这会干扰声场的分布,导致测量结果存在误差。光纤水听器法是目前测量高声压采用的主要方法,虽然该方法能够测量的声压达到107～108 Pa量级,但检测时也要将光纤传感器放置于声场中,这又将会影响聚焦超声场的分布,而且在水中放置传感器容易使该处发生空化,导致测量结果与声场中真实的声压值不一致,而且高声压及空化作用容易使光纤水听器损坏。声光衍射法是指声波在透明介质中传播时,会引起介质折射率变化,形成一个光学“光栅”;当光束穿过介质后,会在远场形成稳定的衍射图样,各级衍射条纹的光强分布由相应阶次的Bessel函数决定,从而可推导出衍射光强与声压的关系。该方法虽然可以测量较高的声压,但由于衍射光强的的分布容易受到干扰,而且强度分布与假设模型有关,要推导衍射光强与声压的关系是非常复杂的,所以在实际测量中很少采用该方法。激光测振法是利用超声作用下水介质的振速与声压的关系来测量声压的。虽然运用激光进行测量可达到非常高的空间分辨率,但是这种方法装置较复杂,声压增大时可能损坏反光膜片,故不适用于检测高声压。针对以上问题,需寻求一种不影响声场分布、不造成测量仪器损坏,而且能方便测量非线性HIFU声场焦点声压的方法。研究目的探讨一种针对非线性HIFU声场焦点声压的无损检测方法,并提出简易可行的实验模型,快速测量焦点声压值。研究方法基于Raman-Nath声光相互作用理论,当一窄平行光束垂直入射穿过一定频率超声场时,由于声场作用下的透明介质其折射率会随时间发生周期性变化,光束传播穿过这种介质时将发生周期性偏转,偏转角度(或距离)可由远处一光斑接收屏上呈现的光斑图像获得。根据声光相互作用理论,首先从理论上建立激光穿过非线性HIFU声场焦点后的光偏移量与焦点声压的关系,然后在不同驱动功率下,采集激光穿过换能器声场焦点后形成的光斑图像,并计算不同功率下光斑长度对应的焦点峰值声压。为验证激光检测的理论模型是否可行,在相同条件下采用光纤水听器测量焦点声压,比较相同条件下两种测量方法所得的结果。结果1.激光穿过焦点后形成的光斑长度随换能器驱动功率的增加而增加,计算得到的焦点峰值声压也随之增加。焦点峰值声压可通过偏转光斑长度快速计算获得。2.比较两种测量方法得到的焦点峰值声压,发现驱动功率小于110W时,相对误差小于5%;驱动功率小于250W时,相对误差在15%以内;驱动功率大于250W后,相对误差大于15%,但小于20%。结论本文提出的针对非线性HIFU声场焦点声压的激光检测方法是可行的,而且激光检测得到光斑长度后即可快速计算焦点声压峰值,测量效率。

关键词：非线性HIFU声场声光相互作用激光检测焦点声压

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