经颅聚焦超声治疗脑血栓的数值仿真研究

脑卒中是致残和致死的首因,经颅脑卒中治疗具有无创和颅内出血风险低等优势,目前经颅聚焦超声治疗血栓性缺血脑卒中时使用参数尚不明确。基于志愿者头颅CT图像和82阵元相控换能器建立三维数值仿真模型,利用时域有限差分法数值解析Westervelt声波非线性传播方程,对0.5～1.0 MHz超声激励频率和输入声功率等参数进行数值仿真筛选。结果表明：频率相同时焦点处形成的负压越大所需输入声功率越大,经颅所需输入声功率约为开颅的1.5倍;频率越高焦域面积越小但焦域处的旁瓣增多;频率相同时经颅和开颅模型的焦域形状和大小相近但经颅时的旁瓣较强;焦点处负压达到具有溶栓效果的-6 MPa和具有显著溶栓效果的-8 MPa时所需声功率随频率的提高先减少后增加且频率为0.8 MHz时最小;辐照时间和占空比对焦点位置和焦域面积没有影响。     

HIFU治疗相控阵驱动系统的研究现状

高强度聚焦超声以其非侵入性、无电离伤害、可重复治疗、能深入体内等优势已经广泛应用在乳腺癌、子宫肌瘤、前列腺癌、胰腺癌等软组织肿瘤的临床治疗中。目前,临床使用的HIFU治疗系统中的换能器,主要有单阵元自聚焦换能器和多阵元相控换能器,而对于经颅治疗神经系统疾病而言,必须使用多阵元相控换能器才能实现靶区焦域聚焦,其核心技术之一为相控阵驱动系统。本文围绕HIFU相控系统的阵元信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路模块研究的现状及进展进行综述。     

HIFU治疗相控换能器相位控制和驱动系统设计

多阵元相控阵列聚焦换能器具有焦距可调和可实现经颅聚焦等优势。相控阵换能器相位控制和驱动系统是决定多阵元相控换能器能否应用于临床的关键技术之一。目前,在满足电路系统输出参数要求的前提下,尽可能通过提高系统集成度缩小系统体积,并提高相位分辨率是相控阵换能器相位控制和驱动系统设计过程中的重点与难点。该文基于现场可编程门阵列(FPGA)主控芯片、高速数模转换器（DAC）、集成驱动放大器设计了高强度聚焦超声（HIFU）治疗相控阵换能器相位控制和驱动系统。实测结果表明,本系统输出的正弦信号峰 峰值为36.2 V,且输出信号中无高次谐波,相位分辨率为2 ns,延时误差小于1 ns,可满足HIFU治疗相控换能器阵元驱动及其所需相位分辨率,并使系统小型化。     

半球形高强度聚焦超声相控换能器的仿真研究

大开口半球形相控换能器能够最大化覆盖颅骨表面,使超声能量尽可能多地穿越颅骨到达治疗靶区,从而避免颅骨处能量沉积。该文基于人体头颅结构建立三维高强度聚焦超声(HIFU)经颅传播模型,利用时域有限差分法(FDTD)结合Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程进行温度场数值仿真,首先研究小开口换能器的阵元信号激励频率、激励面积比、阵元半径和阵元数对其形成温度场的影响及变化规律,其次将这些规律应用于大开口换能器,并对其形成温度场特性进行研究。小开口换能器结果表明,在一定频率范围内,焦域中心温度随激励频率增加而升高,而54℃以上区域长轴长逐渐减小,短轴长基本无变化;激励总功率一致时,激励面积比越大,焦域中心温度越高,54℃以上区域长轴、短轴较长;使用小开口直径换能器模型筛选的阵元激励频率和激励面积比可应用于设计大开口换能器,为大开口换能器的开发提供结构参数。     

超声波在线监测卷式反渗透膜污染及清洗

应用超声时域反射法和信号拟合及量化模型在线监测卷式反渗透膜元件污染及清洗过程.实验采用三个2.25 MHz高频聚焦探头和商业卷式反渗透膜组件,污染液为1.0 g/L硫酸钙.清洗阶段包括纯水冲洗、浸洗与酸洗三部分.结果表明,超声信号能够穿透组件外壳而进入多层膜结构.观察发现随膜表面污染物沉积而超声信号发生系列有序变化.此外,随膜表面污染物沉积、结构变化以及污染层形成,声强不断减小至最低,后期趋于稳定.研究还发现,沿进料液流动方向,信号变化诱导期趋于变短,而且,污染物优先靠近出口处沉积;越靠近料液出口,信号变化幅度越大,污染越严重.这是由于沿轴向不断加剧的浓差极化所致.在清洗阶段,随着膜通量恢复超声信号变化表现出一致性.     

64阵元高强度聚焦超声相控换能器的仿真研究

超声相控换能器具有焦距可调,多焦点聚焦的特性。以64阵元球面相控换能器为例,利用Westervelt声波非线性传播方程及时间反转法(TR)对64阵元圆形相控换能器在水中不同焦点处形成的焦域声压分布进行时域有限差分法(FDTD)仿真研究。研究结果表明,频率为0.5⁰.8 MHz时自聚焦形成的焦距均小于球面几何焦距;单焦点聚焦时,随着焦点偏离声轴的距离增大,焦点处的最大声压逐渐降低,随着焦距增大,旁瓣与主瓣最大声强比值先减小后增大;频率为0.7MHz,双焦点聚焦时,在焦点间设定距离>7mm的条件下,焦点间旁瓣很小,当焦点间距离≤2.5mm时,两焦域融合成单一焦域。