[发明专利]基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法、模拟器、系统

权利要求书

1.一种基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：

S1：通过获取聚焦超声温度场的数值模拟方程；其中，所述的聚焦超声温度场的数值模拟方程采用Pennes生物热传导方程表示；

S2：采用空间二阶精度、时间一阶精度的时域有限差分法求解S1中的数值模拟方程，实现模拟聚焦超声引发的温升效应；

所述的Pennes生物热传导方程：

其中，T表示生物组织温度；κ_t表示导热系数；C_t表示生物组织比热；C_b表示血管比热；W_b表示生物组织内毛细血管的血液灌注率；T_a表示初始温度；Q_v表示单位体积单位时间内组织吸收的热量；Q_m表示生物代谢生热率；

取表示温度的升高量，忽略Q_m，一般起始温度是常数温度，将Pennes生物热传导方程表示为：

对于聚焦超声温度场模拟，使用单频稳态聚焦超声场，Q_v表示如下：

Q_v＝αI_av＝αρ₀c₀V²＝1/2×αρ₀c₀V₀²

其中，α表示声吸收系数；I_av表示平均声强；c₀表示波速；V表示质点振动速度；*表示对里面的变量求周期平均值；V₀表示质点振动速度幅值。

2.根据权利要求1所述的基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法，其特征在于：所述的空间二阶精度的时域有限差分法具体采用空间网格点对模拟仿真区域进行划分，相邻的空间网格点的间距为0.1λ，其中，λ表示超声波的波长。

3.根据权利要求2所述的基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法，其特征在于：所述的空间二阶精度的时域有限差分法，具体求解如下：

对于一元函数f(x)，其中x是自变量，其二阶导数的二阶精度中心差分格式为：

其中，f⁽²⁾|_i中的上标(2)表示一元函数f(x)的二阶导数、f|_i中的下标i表示第i个网格点对应的自变量的值(x₀+iΔx)，x₀是自变量初始值，Δx是相邻网格点之间自变量的差值；

不同时刻、不同空间网格点位置的温升分别定义为上标n表示时间坐标(t₀+nΔt)，其中t₀表示起始时间，Δt表示数值模拟的时间步长；下标i、j、k表示笛卡尔空间坐标(x₀+iΔx,y₀+jΔy,z₀+kΔz)，其中(x₀,y₀,z₀)表示起始位置，Δx、Δy、Δz分别表示x、y、z方向的空间步长。

4.根据权利要求3所述的基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法，其特征在于：所述的时间一阶精度的时域有限差分法，具体求解如下：

时间离散格式为：

方程(4)中二阶空间导数的差分格式采用方程(3)，从而有：

5.一种基于权利要求1～4任一项所述的方法的模拟器，其特征在于：所述的模拟器包括获取模块、空间二阶精度的时域有限差分法求解模块、时间一阶精度的时域有限差分法求解模块；

所述的获取模块，用于获取Pennes生物热传导方程；

所述的空间二阶精度的时域有限差分法求解模块、时间一阶精度的时域有限差分法求解模块分别对Pennes生物热传导方程进行求解Pennes生物热传导方程，实现模拟聚焦超声引发的温升效应。

6.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时，实现如权利要求1～4任一项所述的方法的步骤。