Page 76 - 《应用声学》2021年第2期

244 2021 年 3 月

仿真时，采用一个换能器发射、其余 255个换能
0 引言
器接收，即一发多收的扫描方式进行，使得接收换能
器覆盖面积达到最大，获得足够多的投影数据，以进
乳腺癌是全世界女性最常见的恶性肿瘤之一。
行高质量的图像重建。发射换能器按顺时针方向变
近年来，乳腺癌的发病率呈上升、年轻化趋势，已成
换，依次进行 256 次仿真来达到 360 环形扫描。环
◦
为当前社会的重大公共卫生问题，因此，乳腺癌的精
形分布的换能器相较于线阵分布，数据采集速度更
确诊断和及时治疗尤为重要。目前，进行乳腺癌筛
快，避免了因机械旋转而产生的干扰，实验数据更精
查的方法主要有 X 线钼靶、X 射线计算机断层扫描
确。发射换能器发射一个频率为3 MHz的正弦脉冲
成像 (X-ray computed tomography, X-CT)、磁共
波，周期为5，幅值为40 V。材料属性见表1。
振成像 (Magnetic resonance imaging, MRI)、多普
勒超声 [1−2] 。然而，这些方法大多具有辐射性或者 ਁሴᦒ㜭ಘ
给患者带来疼痛。近年来，超声计算机断层扫描(Ul- 80
trasound computed tomography, USCT) 作为一种 60
新型的成像技术 [3] ，在乳腺癌早期精确诊断方面具 40
有良好的应用前景。超声 CT 以超声波在人体不同 20
组织内的声波传播速度差异和人体内的线性衰减 Y/mm 0
系数为基础 [4] ，利用超声波对物体进行透射得到投 -20
影数据，对组织内部的参数进行重建，从而得到乳腺 -40
图像。 -60
COMSOL Multiphysics 软件以有限元法为基 -80 -50 0 50
础，通过求解偏微分方程来实现真实物理现象的仿 X/mm
真。本文利用 COMSOL 软件进行乳腺超声断层成 图 1 几何模型
像仿真，采用一发多收的扫描方式，得到 256个环形 Fig. 1 Geometric model
阵列换能器的声压分布，提取了接收信号，并利用等 6
4
角扇束滤波反投影重建算法进行验证。 Al
2
0 ዥଌࡏ
1 基于COMSOL的仿真分析 -2
Y/mm -4
1.1 几何建模 -6 PZT
-8
通 过 COMSOL Multiphysics 中 “AC/DC 模 -10
块”、“声学模块” 和 “结构力学模块” 接口创建，建 -12 Al ዥଌࡏ
-14
立了如图 1 所示的二维几何模型。仿真测试在半径 -10 -5 0 5 10
X/mm
75 mm 的圆形区域内进行，内置为水，256个压电超
图 2 复合式超声换能器结构
声换能器以环形排列的方式均匀分布，每两个换能
Fig. 2 Structure of composite ultrasonic transducer
器间隔 1.4 ，置于水中。在(−20 mm, 10 mm) 处设
◦
表 1 主要材料属性
置一个半径为12 mm 的圆形区域来代表软组织，在
Table 1 Main material property
(23 mm, −30 mm) 处设置一个半径 10 mm 的圆形
铁块障碍物来代表肿瘤。由于超声波在软组织和肿 杨氏模量/GPa) 泊松比 密度/(kg·m −3 )
瘤中的传播速度接近，本次实验为了直观、清晰地 铝 70.9 0.33 2700
显示超声波在乳腺组织中的声压分布，因此，用铁块 黏合剂 10 0.38 1700
来代表肿瘤。复合压电超声换能器采用铝层 -粘接 声速/(m·s −1 ) 密度/(kg·m −3 )
软组织 1515 1060
层 -压电陶瓷 (PZT-5H)-粘接层 -铝层的结构，粘接
铁 5200 7870
层设置的目的是阻抗匹配，如图2所示。