COMSOL 超声聚焦仿真案例

1.  研究背景

       超声聚焦广泛应用于各类工业设备与技术中，例如我们熟悉的无损检测（NDT）和医学成像。高强度聚焦超声（HIFU）是此技术的一项临床应用，它利用探头将大部分能量集中到目标组织区域，使组织发生凝固性坏死。超声波拥有一大优势：无需贯穿发射信号与目标之间的传播路径，就能够到达金属、人体器官或生物组织内部。与外科医生使用的医疗手术刀不同，超声波不会在患者皮肤上留下任何疤痕，它能精准地对目标组织进行治疗，周围的健康组织受损伤的风险也很低。聚焦超声波已用于或可用于治疗前列腺癌和乳腺癌、高血压，甚至是青光眼等疾病。根据不同的换能器设计，超声波有几种聚焦方式：

（1）几何聚焦方式

图1 几何聚焦示意图

临床应用中的超声换能器（上图）几个重要因素包括：

• 近场距离 N，计算公式为： 

• D 是换能器直径

• f 是频率

• c 是介质中的声速

• 焦距 F，即换能器与相当于目标区的聚焦点之间的距离

• 场深或聚焦区，它表示 -6dB 信号的幅度与最高幅度之间的差距，计算公式为： 

（2）相控聚焦方式

图2 相控阵聚焦示意图

       超声聚焦方法是在压电元件阵列中加入若干换能器，利用相位延迟控制每个元件的电压输入。我们必须计算出每个阵列配置的相位延迟，因为它取决于频率、压电元件、尺寸、位置，当然还有焦距。

针对线性单元阵列，一个有效的方法是计算每个单元的中心 i 与焦点之间的距离 di，并将相位应用于方程：

为了说明这一点，我们建立了一个8单元阵列的二维相控阵单元。

以上内容来自comsol官方博客：仿真助力超声聚焦的临床应用研究 | COMSOL 博客

2. 仿真分析

图3 几何聚焦仿真模型示意图

图4 几何聚集声压分布

图5 几何聚集声强分布

图6 轴线声强分布

图7 相控聚焦仿真模型示意图

图8 相控聚焦声压分布

图9 相控聚焦声强分布

图10 轴线声强分布

3. 源文件获取

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