凹球面相控阵超声聚焦的分析

摘要

高强度超声聚焦是近些年发展起来的治疗肿瘤的先进手段，它是将体外高能量超声波穿过软组织聚焦到体内病灶区域导致肿瘤细胞凝固性坏死，实现治疗肿瘤的目的。目前，临床上可用于超声消融治疗肿瘤的包括前列腺癌，胰腺癌，肝癌，子宫肌瘤以及软组织肉瘤，腹膜后转移瘤等良恶性肿瘤。
　　本文设计了一个凹球面阵列换能器，聚焦后焦斑可以控制在200mm3左右，而超声聚焦刀一般单次杀死肿瘤细胞的范围在100～150mm3，基本达到治疗肿瘤的超声聚焦刀要求;提出了在凹球面阵模型下双层介质中确定聚焦位置的方法，并且使用MATLAB描绘出声强分布图，验证该方法的正确性;设计了一款超声驱动板，在国内研究相控阵聚焦领域使用的功率放大器一般都是将驱动电压增加到55V然而我们设计的驱动板可以将电压升高到100V去驱动压电陶瓷，极大的增强了所发射超声波的能量密度，缩短了治疗时间。从结果上可以看出实验数据与使用MATLAB进行理论计算所得到数据基本重合，焦斑较小，聚焦效果明显，证明了高强度聚焦超声的可行性。
　　论文主要体现在以下两个方面:
　　(1)在空间中声场分布理论的基础上用MATLAB描绘出了在单层介质中，双层介质中凹球面阵列换能器的聚焦声场分布;使用伪逆矩阵法画出多焦点的声强分布以及借用遗传算法去优化多焦点的聚焦效果。研究发现在单层介质中焦斑为椭球形，长轴为1.4cm左右，短轴为3mm左右，然而在双层介质中长轴为2cm左右，短轴为4mm左右，聚焦效果有所下将，说明声波在发生折射后聚焦效果会变弱;在观察多焦点聚焦时发现遗传算法非常有效的增益了焦点处声强，抑制了旁瓣和栅瓣，明显提升了聚焦效率。
　　(2)设计了系统的硬，软件，搭建测试平台，完成了超声聚焦的测试系统。通过采集以焦点为中心前后7cm距离，左右7cm距离的的声压数值，画出声强分布图，分析数据，得到所设计凹球面阵列换能器真实的聚焦情况。对比非相控阵与相控阵聚焦焦点处的声强分布，发现相控阵比非相控阵情况下焦点处声强增加了7倍以上，聚焦效果明显但是焦斑比理论计算的焦斑略大，这可能是由于机械制造工程中有一定的误差导致凹球面阵列换能器没有达到理想的设计要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究进展

1．2．2 国内研究进展

1．3 论文结构安排

第二章 相控阵超声聚焦理论

2．1 超声特性

2．2 聚焦类型

2．3 凹球面聚焦基本理论

2．4 超声聚焦技术实现方式

2．4．1 伪逆矩阵法聚焦

2．4．2 时间反转法聚焦

第三章 超声聚焦仿真分析

3．1 伪逆矩阵法在一种媒介中超声聚焦仿真分析

3．2 时间反转法在一种媒介中超声聚焦仿真分析

3．3 两种媒介下超声聚焦分析

3．3．1 两种媒介中声压计算方法

3．3．2 两种媒介中的仿真

3．4 仿真凹球面的曲率对聚焦效果影响

第四章 相控阵超声聚焦技术的实现

4．1 发射端设计

4．2 FPGA控制信号的产生

4．3 驱动端设计

4．4 普通三维平台与水听器

第五章 测试系统

5．1 测试系统理论

5．2 测试平台

5．3 聚焦效果分析

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢