使用模拟研究临床应用的超声集中

今天，Comsol认证顾问EMC3 Consulting的客座博客作者Thomas Clavet讨论了模拟分阶段阵列和几何专注的探针。

超声焦点广泛用于各种工业应用，例如非破坏性测试（NDT）和医学成像。对于临床应用，高强度聚焦超声（HIFU）是该技术的特定方面，其中探针提供的大部分功率都携带到靶向区域以凝结生物组织。这篇博客文章讨论了超声焦点模拟。

设计非侵入性超声的传感器

超声波具有很大的优势：它们可以在金属，人体器官或生物组织内到达体积，而无需切开传输信号的路径，直达其定向的目标。与外科医生在医疗治疗中的手术刀不同，超声不会在患者的皮肤上留下任何疤痕，并且仍然可以良好的准确性治疗目标区域，同时限制了对周围健康组织损害的风险。使用聚焦超声或有可能用于治疗前列腺癌和乳腺癌，高血压甚至青光眼等疾病。

有几种使用不同的传感器设计将超声集中的方法，而ComsolMultiphysics®软件是模拟和优化它们的非常好的工具。设计一个将有效产生到达目标区域的超声场的传感器可能是一项艰巨的任务。这取决于发射信号的频率和功率；超声传播的介质的衰减和吸收；当然，传感器本身的位置和尺寸。

图1：超声传感器产生的声场的示意图。

以下是用于临床应用的超声传感器的一些重要方面（请参见上图）：

• 近场距离n，计算为：n = {d^2 f}/{4C}（1）
  • d是传感器直径
  • F是频率
  • C是媒介中的声音速度
• 焦距F，这是换能器和焦点之间的距离
• 定义-6 -DB信号幅度从最大幅度下降的场深度或焦点区域，计算为：f_z = \ frac {2f^2} {n+{\ frac {f} {2}}}}}}}（2）

可以使用两种替代方案来聚焦传感器的信号：

1. 将换能器元件的曲率半径修改为对应于焦距的值（请参见上述原理图）
2. 在几个平面传感器的阵列中施加电压时引入相延迟（请参见下面的示意图）

图2：用于聚焦声学信号的超声探针的示意图。传感器由衬板，压电元件和与测试样品的匹配层组成（此处组织）。

comsol多物理学已被用来查看这两种替代方案。除了模拟超声传播的能力外，将这种模拟与传热模拟甚至生物组织的损害定律进行搭配也非常有趣。通过这种方式，我们可以快速可视化聚焦效果是否可以处理适量的组织并检查凝结的位置和体积，均在同一建模界面内。

模拟几何聚焦探针

超声可以通过发射传感器的形状直接聚焦。A声学模块可用教程提供了一个很好的例子，说明了这种现象以及传热。对声学模拟进行了一些假设，例如忽略非线性效应和剪切波，但它仍然提供了有关焦距对探针参数敏感性的非常有价值的信息。

本教程可以适应大多数设备配置，并用作模拟的起点。例如，在运行模拟的热传递部分之前，我们可以检查频率如何修改焦点区域的大小，从而使输送到该区域的能量。在下面的示例中，以0.5 MHz，0.7 MHz和1 MHz计算三个频率。图3–5显示了超声压力波的形状，该标准的焦点区域的大小最大（SPL） - 6DB，以及用于加热和凝结组织的相应能量。

图3：模拟超声（以蓝色和红波型信号表示）由弯曲的换能器（底部的橙色箭头表面）发射并聚焦。它们在组织中传播，并在焦距中提供强度峰值。由于吸收能量，这导致温度升高。

当传感器直径和曲率保持恒定时，增加频率将减小焦点区域的大小。我们清楚地看到较小的波长以较高的频率及其对聚焦的影响。

图4：用最大（SPL） - 6DB标准可视化焦点区的大小。它确认了从上面的压力图可以看出的。对于三个可视化频率而言，DB量表不相同。

图5：在w/cm的同一颜色尺度上，所有三个频率绘制了声学强度²。在1 MHz时，沉积的最大强度比在0.5 MHz时高10倍以上，所有其他参数保持相等。尽管在增加频率时焦区减少了，但这也意味着将更多的能量传输到该区域，因此允许组织中的温度更高。

相延迟聚焦探针

其他聚焦超声波的方式是在压电元件中使用多个换能器，然后控制每个元素的相位延迟的电压输入。必须针对每个阵列配置计算此相延迟，因为它取决于频率，压电元素，大小，位置以及当然在焦距上。

对于线性元素，快速方法是考虑距离d_我在每个元素的中心之间我以及焦点并将阶段应用为：

（3）

为了说明这一点，让我们制作一个16个元素阵列探针的几何形状，并使用comsol Multiphysics的声学模块和热传递模块串联几个接口：

• 压力声学，频域
• 固体力学
• 静电
• 生物热转移

几何形状在下面的图6中的2D横截面中显示，分别在压电元件的前面和后面的匹配和背面层。衬板用于防止过度振动。匹配层是压电材料与超声波有效进入组织所必需的生物组织之间的中间材料。它具有与医生在探针和皮肤之间使用的凝胶相同的功能地位学。

图6还显示了基于（3）作为每个元素上的颜色和变形图，从侧面元素上的0到中心元素中的434°。

当将电压应用于这些元素上时，压电材料会振动并产生超声波，该波浪将由于相延迟而聚焦在所需的焦距上。

至于几何浓缩探针，然后可以将该模拟与传热和损坏法律模拟耦合，以评估生物组织中的温度升高和凝结的体积。在平面波限制中给出的声源来自声波信号，计算为：

（4）

其中α_腹肌是组织和I的声学吸收系数_交流是声强度。

能量的吸收，由α表示_腹肌，随着不同的组织有显着变化。结果，检查计算出的聚焦信号是否损坏阵列探针和焦距之间的其他组织也很重要。如果不应该损坏这些组织，则应修改焦点。在这种情况下，模拟使我们能够快速修改数组探针的设计和操作参数，并验证或丢弃数组配置。

图7和8显示了超声压力波的形状和分别集中的相应能量。

图6：延迟是根据频率，焦距以及换能器元素的大小和位置计算的。

图7：波形以1.5 MHz的频率看到。如果超声不足，可以决定修改几何设计，相位延迟甚至设备频率。

图8：声音强度在w/cm中绘制²。在这里，16个压电换能器元件提供了低强度，该强度分布在焦点区域的几毫米上。在此阶段，可以运行传热和损伤模拟，以决定是否由于焦点区和换能器之间的不可忽略的强度引起的温度升高（几个w/cm²）太高或在医疗期间可以处理。

相关资源

• 阅读2013年Comsol会议的相关论文：鹿特丹：乐动滚球app下载
  • 超声成像线性探针的“脉搏回声”表演的fem模拟

参考

1. Zhenya Yang，Jean-Louis Dillenseger。相位阵列治疗性间隙超声探针的相位估计。会议论文集：IEEE医学与生物学协会IEEE工程年度国际会议。IEEE医学和生物学协会的工程。年度会议，电气和电子工程师研究所（IEEE），2012年，2012年，第472-5页。
2. “分阶段阵列教程”，奥林巴斯，http://www.olympus-ims.com/en/ndt-tutorials/phaseed-array/。
3. “医学超声探针的基本原理（传感器）”，Nihon Dempa Kogyo Co.，Ltd.，http://www.ndk.com/en/sensor/ultrasonic/basic02.html。

关于客人作家

托马斯·克拉维特（Thomas Clavet）是巴黎艺术与斯德哥尔摩的KTH大学的机械工程师。他以前曾在核工业担任压力工程师，并担任英国和爱尔兰的Comsol Ltd.的应用工程师，在那里他遇到并培训了几位COMSOL多物理用户在流体流，传热，声学和结构性的领域中力学模拟。

托马斯（Thomas）于2014年在法国南部创立了EMC3咨询公司，以提供他在Comsol Multiphysics用作COMSOL认证顾问以及CFD，热传输，声学和结构机制模拟领域的专业知识。

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