Page 86 - 《应用声学》2023年第6期

1196 2023 年 11 月

表 4 HIFU 换能器的参数 在 k-Wave 仿真建模过程中，腹部凸阵探头的
Table 4 Parameters of HIFU transducer 模型参数见表6。
表 6 腹部凸阵探头参数
开孔直径/mm 孔径/mm 曲率半径/mm 频率/MHz
Table 6 Abdominal convex array probe
220 80 160 1
parameters
腹部凸阵探头发射发散波扫描散射体并接收
回波信号的仿真模型的二维平面图，如图 4 所示，该 开孔直径/mm 曲率半径/mm 频率/MHz 阵元宽度/mm
模型建立在3600×2400×40的三维网格内。模拟的 50 50 3.13 0.4
强散射体的声速在 1400 ∼ 1600 m/s 的范围内、密
2 结果
度在 933.3 ∼ 1066.6 kg/m 之间随机波动。5 个散
3
3
射点的声速均为 1600 m/s，密度为 1200 kg/m 。在 本文基于 k-Wave 声学仿真软件，在有无水囊
k-Wave声学仿真软件中，因为完整的三维水囊计算
情况下，建立 HIFU 辐照靶组织及其超声引导过程
模型的计算量巨大，已经超出实验室现有的计算能 的仿真模型，分别分析水囊对治疗效率和成像质量
力，所以在模型建立时用了两个与水囊等厚度的弧 的影响。
形代替完整的水囊。
2.1 水囊对治疗效率的影响
x/mm
建立 HIFU 辐照靶组织的模型，求解 Wester-
90
PML velt非线性传播方程得到基频和各次谐波分量的声
82
ጸጻ
压分布，并将求解结果与 Pennes传热方程耦合。计
67.5
算传热方程中的热沉积 Q 时，除基波外还要考虑各
57
谐波分量的影响，本文最高只考虑四次谐波分量。
并以声压下降 −6 dB 为标准计算焦域处的几何面
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积，计算结果表明有水囊和没有水囊时焦域处的几
何面积分别为8.62 mm 和8.54 mm 。
2
2
7
0 0 当声压分别为100 kPa、130 kPa和160 kPa，辐
30 C5-2c -30 y/mm 照时间为 1 s、2 s 和 3 s 时，探索有无水囊两种情
况下在焦域处的最高温度变化。比较分析两种场
景下的温度分布，以不同声压辐照靶组织 3 s 为例，
得到的 HIFU 辐照靶组织的温度分布结果如图 5 所
O
图 4 腹部凸阵探头 (C5-2c) 扫描成像区域仿真模型 示。该结果可以得到 HIFU 辐照靶组织之后的温
Fig. 4 Simulation model of abdominal protruding 度分布情况，通过分析焦域处的温度场数值可以
array probe (C5-2c) scanning imaging area 得到在有无水囊情况下，治疗过程中的最高温度
变化。
本文使用 Ram-5000 系统 (声学参数测量系统)
不同声压、不同辐照时间下辐照靶组织后的最
对厚度为 1 mm、2 mm 的 TPU材料样品 (该样品与
高温度变化如图 6 所示。可见在不同声压、不同辐
水囊的材料一致) 进行声参数测量，根据多次实验
照时间辐照靶组织的情况下，加入水囊后焦域处的
结果计算得到水囊声参数 (声速、密度以及声吸收
最高温度均减小，且有无水囊场景下的最高温度差
系数)见表5。
异随着声压的增大而增大。声压为160 kPa时，没有
表 5 水囊的声参数
水囊时的最高温度比有水囊时高13.08 C。
◦
Table 5 Acoustic parameters of water bag
2.2 水囊对监控影像质量的影响
声吸收系数/
声速/(m· s −1 ) 密度/(kg· m −3 ) 用 k-Wave 声学仿真软件建立三维腹部凸阵
(Np· m −1 )
探头，使其在[−10 , 10 ] 的范围内偏转 11个角度发
◦
◦
水囊 1878 1213 6.664
射发散波，将仿真得到的回波数据处理成 RF 信号