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
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度信息参考自临床腹部磁共振成像中的统计数据。
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为了保障所建立仿真模型的可靠性，整个仿真
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ᑠᐬ 过程共设计了两种形貌的组织分层，如图 4 所示。
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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
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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
ඵ
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