[发明专利]一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统

权利要求书

1.一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统，该HIFU声场检测系统是基于有限元模型法结合工业机械臂集成嵌入式采集控制模块，其特征在于该系统具体包括以下两个步骤：

步骤1：利用有限元软件下对医疗HIFU治疗换能器建模和辐射声场仿真，在不同的驱动电压激励情况下进行研究声场传播特性和聚焦形态,记录其驱动电压和辐射声压之间的关系；

步骤2：用机械臂加载弧面规划运动轨迹控制测量水听器扫测HIFU三维空间声场，检测声场辐射参数信息，并将驱动电压和辐射声压之间的关系反馈于有限元模型并结合实际的声场环境，将有限元模型优化至与实际测量结果吻合；

其中，所述步骤1具体为：

根据HIFU治疗换能器设备特定的结构设计，在COMSOL有限元仿真软件建立换能器模型，根据其不同工作物理场，加载压力声学模块，压电模块，静电模块和固体力学模块等不同物理场进行多物理场耦合研究，加载不同驱动电压激励参数激励换能器辐射声场，在不同激励条件下研究其声场分布和聚焦特性，对其声场的声参数进行提取和研究，分别测量声场的轴向以及焦平面上径向声压分布，确定加载在换能器上的驱动电压值和对应的辐射声压值的关系。

将其中，所述步骤2具体为：

根据实际的HIFU换能器设备特定的声场环境和焦点位置形态，控制高精度工业机械臂，在其焦域选取1个球面规划路径进行测量且同时缩小测量面范围，首先通过嵌入式运动控制器控制机械臂运动，在笔记本中输入弧面规划路径的运动轨迹，使得机械臂在三维空间声场中进行高精度运动，耐高声强的光纤水听器扫测球面声压数据，球面规划路径能够确保测量水听器的工作端面能够与球面波声场的切线垂直，确保测得数据更加完整，弥补了声辐射角度补偿的问题。将运动控制和数据采集通讯问题高效精简化，能够同步在笔记本上进行声场数据的实时采集功能并显示声场数据成像结果并进行分析。根据实际的声场分布和焦域大小形态，对其有限元模型进行参数设置更改等优化，使其与实际HIFU换能器辐射声场吻合。利用实际聚焦换能器和模型一致的特点，实验确定声源表面，声源近场，焦域处的点声压值和声轴上的声压轴线数据与驱动电压的关系，并实时反馈与仿真模型并进行模型修正，使得模型与实验中的声压值和驱动电压之间的关系大致吻合。

2.一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统，该声场测量系统是基于有限元模型法原理，其特征在于：能够使用有限元模型还原HIFU换能器辐射声场并对其声参数进行分析，得出其驱动电压和声场空间的声压。主要实验部分包括机械运动模块，集成嵌入式和数据采集模块；

所述机械臂运动模块包括5自由度工业机械臂，其负责在超声声场三维空间进行伸缩，升降，延伸，旋转等指令和移动方向、移动速度、移动位置的控制及距离位移的反馈以及球面及弧面规划路径运动功能，在声场空间中实现高精度多自由度运动；

所述运控控制模块，其负责规划机械臂在三维空间的运动路径，并进行实时补偿与监控；

所述采集模块，其将数据采集模块集成与软件中，在笔记本能够实时设置采集参数，并实现实时显示和存储数据功能。并计算分析声场数据，实时反馈于有限元模型中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可根据有限元模型对HIFU换能器的声场进行预测，仿真出该换能器的空间声场分布特性和聚焦特性，能够对相应位置的声压分布，声强分布和声功率进行提取计算，可在不同驱动电压的激励条件下对其换能器性能进行分析评价，得出换能器理论的声压和驱动电压之间的关系，并可对其焦点参数进行精确定位。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：将示波器和运动工控箱模块分别用便携式示波器和嵌入式运动控制卡来替代，目的将整个测量系统的体积和通讯功能最大精简化，实现高精度控制机械臂运动，实现对其声参数进行检测。机械臂采用弧面运动规划路径进行声场扫描。基于有限元模型法，可操控机械臂直接至焦点坐标进行焦点处的声场分布测量并实时计算声功率等声参数。得到实际驱动电压和声压之间的并反馈于有限元模型，对其声场参数进行优化使得与实际辐射声场相吻合。