Page 62 - 《应用声学》2025年第1期
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             1.2 数值仿真                                          长的一半。水及各层组织的声参数如表 1所示。表 1
                 为了定量论证上述理论分析中所描述的次生                           中数据来自于瑞士苏黎世社会信息技术研究基金
             焦点,本研究基于临床实际治疗场景 (图 2) 和人体                        会(IT’IS)。由于肌肉层下面的目标器官不影响本研
             腹部组织的结构,在 k-Wave 声场仿真软件中建立                        究所讨论的反射模型,为方便建模,在仿真中目标器
             如图3所示的三维声传播数值仿真模型。                                官的声学参数以肝脏为参考。最后,皮肤、脂肪、肌
                                                               肉厚度分别设置为 3 mm、30 mm、10 mm,这些厚
                             ᐹძ
                                                               度信息参考自临床腹部磁共振成像中的统计数据。
                       ൤࣢ጸጻ٨߾          ཥ۫
                                                                   为了保障所建立仿真模型的可靠性,整个仿真
                                                     ᐝᐛ
                                                     ᑠᐬ        过程共设计了两种形貌的组织分层,如图 4 所示。
                                                     ᄕᐩ
                                           К࠱ܦᤰ᥋               其中图 4(a) 为较理想模型 (模型一),其中的组织在
               ඵയ                                              换能器横向均为水平状态;而图 4(b) 的模型二中组
                     ᑲඡඵ
                                   #ᡔ
                                  Bᡔ                           织的分层形貌为不规则,以模拟治疗俯卧体位下腹
                                                               部各层组织的真实形貌。关于这两种模型的合理
                           HIFU૱ᑟ٨                             性,下文将做进一步讨论。基于上述边界条件,在
                                                               k-Wave中利用数值方法求解波动方程,得出空间各
                       图 2  子宫肌瘤治疗场景示意图
                                                               位置的声压信息;设定环境初始温度为 37 C,并基
                                                                                                     ◦
               Fig. 2  Schematic diagram of the treatment of
               uterine fibroids                                 于生物组织传热方程,在辐照时间为 5 s 后,获取空
                                                               间各位置的组织温度分布。
                     Y
                       D
                                                   X                  0
                                                  ૱ᑟ٨                20
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                                     R I
                                                                     40
                                                    ᄕᐩ
                                        R Z
                               X                                     60
                                                    ᑠᐬ
              d                                     ᐝᐛ               80                             ඵ
                                                    ᄬಖ٨߾             100
                                           ཥག                      z/mm                             ᄕᐩ
                                                                     120
                                                                                                    ᑠᐬ
                                                                     140
                                         Z                                                          ᐝᐛ
                                                                     160
                 图 3  经腹部组织的数值仿真模型图 (单位:mm)                          180                            ᄬಖ٨߾
                                                                     200
               Fig. 3 Numerical simulation model of transab-
               dominal tissue (unit: mm)                               -100  -50    0     50   100
                                                                                   x/mm
                 该模型由换能器、水体、人体腹部组织构成,                                        (a) ᜻ѷ̮᠏ (വیʷ)
             其中腹部组织从外至里依次为皮肤、脂肪、肌肉                                    0
                                                                     20
             和目标器官。参考当前临床腹部 HIFU 治疗中最常                               40
             见的治疗系统 (JC-200),治疗换能器的开口直径为                             60
                                                                     80                             ඵ
             D = 220 mm,开口内径为 d = 80 mm,曲率半径                       z/mm  100
             为 R Z = 170 mm,换能器的 F 数 (曲率半径 R Z 与                     120                            ᄕᐩ
                                                                     140                            ᑠᐬ
             开口直径 D 之比) 为 0.77,中心频率为 1 MHz。换
                                                                     160                            ᐝᐛ
             能器中间开口是为放置超声影像探头留出空间,从                                  180
                                                                                                    ᄬಖ٨߾
                                                                     200
             而在治疗过程中能够进行实时的影像监控。在常
             用治疗声功率下,该治疗换能器表明的初始声压                                     -100  -50    0     50   100
                                                                                   x/mm
             大约设置为 100 kPa。k-Wave 中的仿真空间范围                                   (b) ˀ᜻ѷ̮᠏(വی̄)
             为220 mm×220 mm×220 mm,仿真的空间步长为                                  图 4  介质的仿真模型
             dx = dy = dz = 0.25 mm,该步长须小于声波波                         Fig. 4 Simulation model of the medium
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