[发明专利]一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统

说明书

本发明涉及了一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统。本发明采用有限元模型法模拟实际HIFU换能器三维空间声场分布特性和声聚焦形态特征，得出其驱动电压和辐射声场声压之间的关系，采用高精度工业机械臂精准控制测量水听器在高强度聚焦声场的三维空间进行球面声场的快速扫测工作，球面规划运动路径弥补了相位不一致与声辐射角度偏差对声场测量的影响，本发明集成嵌入式运动控制和数据采集模块直接并与笔记本直接相连，最大精简化测量系统，运用高精度工业机械臂，精确扫描空间声场并反馈至有限元型进行优化处理，能够实现有限元模型精确模拟HIFU换能器辐射声场，为超声源的计量测试提供了一种可借鉴的方式。

技术领域

本发明主要涉及一种超声源声场检测方法，特别涉及一种基于有限元模型的高强度聚焦声场的检测系统。

背景技术

医疗仪器如承受超标振动和噪声等因素影响，会导致设备损坏，影响诊断和后续医疗。超声医疗设备定期进行计量检测的目的就是在于对超声设备质量与安全性进行检查及确定，保证其能够正常使用。医用超声源声学性能的计量已经成为医学计量的一个重要分支，高强度聚焦超声治疗系统主要利用超声波在病变部位聚焦瞬间加热到65度以上直接灭活肿瘤细胞。中国完全自主知识产权的“海扶超声聚焦刀”将HIFU技术的无创性、安全性、有效性及可行性融为一体且已经进入了临床实用阶段，目前我国正加紧HIFU技术在临床上实用性研究。

现阶段对HIFU的使用剂量和声场形态等未形成有效的评价体系，为了实现安全有效的治疗，必须对HIFU声场分布，声压分布，声功率以及焦域大小形态等做出精确而有效的评价情况，传统的医学计量中计量超声源的方法仍旧停留在大型实验室测试阶段。且目前的检测方法如辐射力天平法，量热法和光栅法等方法的检测原理这决定了它只能获得单一的功率指标，不适用于多参数测量。因此对于HIFU治疗设备的多参数计量检测的装置研制迫在眉睫。

发明内容

针对上述现有存在的问题，本发明提供了一种HIFU系统声场检测方法，标准装置及聚焦换能器辐射声场模型。

一种HIFU系统声场计量检测方法，该检测方法基于有限元模型法原理，其特征在于该方法具体包括以下两个步骤：

步骤1：在有限元软件下进行HIFU治疗换能器的辐射声场进行仿真，在不同的激励情况下进行研究声场传播特性和聚焦形态，得到其理论的驱动电压和辐射声场空间的声压值之间的关系；

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，检测声场的声参数，得出实际换能器的驱动电压和声压之间的关系，并实时反馈于有限元模型，调整激励参数等设置，针对实际的声场环境进行优化，将有限元模型的驱动电压和声压之间的关系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，加载不同激励电压参数激励换能器辐射声场，研究其声场分布和聚焦特性在不同激励条件下的结果分析，对其声场的声参数进行提取和研究，按照需求提取声场三维空间内的不同声场分布，进行声功率计算和焦域大小形态分析。

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。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。