[發明專利]一種基于有限元模型法的HIFU聲場檢測系統

在審

• 申請號: 201910298947.8
• 申請日: 2019-04-15
• 公開（公告）號: CN110008615A
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 郭成成;鄭慧峰;姚磊;曹永剛;王月兵;張沫;朱勤豐
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G01H11/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于有限元模型法的HIFU聲場檢測系統，該HIFU聲場檢測系統是基于有限元模型法結合工業機械臂集成嵌入式采集控制模塊，其特征在于該系統具體包括以下兩個步驟：

步驟1：利用有限元軟件下對醫療HIFU治療換能器建模和輻射聲場仿真，在不同的驅動電壓激勵情況下進行研究聲場傳播特性和聚焦形態,記錄其驅動電壓和輻射聲壓之間的關系；

步驟2：用機械臂加載弧面規劃運動軌跡控制測量水聽器掃測HIFU三維空間聲場，檢測聲場輻射參數信息，并將驅動電壓和輻射聲壓之間的關系反饋于有限元模型并結合實際的聲場環境，將有限元模型優化至與實際測量結果吻合；

其中，所述步驟1具體為：

根據HIFU治療換能器設備特定的結構設計，在COMSOL有限元仿真軟件建立換能器模型，根據其不同工作物理場，加載壓力聲學模塊，壓電模塊，靜電模塊和固體力學模塊等不同物理場進行多物理場耦合研究，加載不同驅動電壓激勵參數激勵換能器輻射聲場，在不同激勵條件下研究其聲場分布和聚焦特性，對其聲場的聲參數進行提取和研究，分別測量聲場的軸向以及焦平面上徑向聲壓分布，確定加載在換能器上的驅動電壓值和對應的輻射聲壓值的關系。

將其中，所述步驟2具體為：

根據實際的HIFU換能器設備特定的聲場環境和焦點位置形態，控制高精度工業機械臂，在其焦域選取1個球面規劃路徑進行測量且同時縮小測量面范圍，首先通過嵌入式運動控制器控制機械臂運動，在筆記本中輸入弧面規劃路徑的運動軌跡，使得機械臂在三維空間聲場中進行高精度運動，耐高聲強的光纖水聽器掃測球面聲壓數據，球面規劃路徑能夠確保測量水聽器的工作端面能夠與球面波聲場的切線垂直，確保測得數據更加完整，彌補了聲輻射角度補償的問題。將運動控制和數據采集通訊問題高效精簡化，能夠同步在筆記本上進行聲場數據的實時采集功能并顯示聲場數據成像結果并進行分析。根據實際的聲場分布和焦域大小形態，對其有限元模型進行參數設置更改等優化，使其與實際HIFU換能器輻射聲場吻合。利用實際聚焦換能器和模型一致的特點，實驗確定聲源表面，聲源近場，焦域處的點聲壓值和聲軸上的聲壓軸線數據與驅動電壓的關系，并實時反饋與仿真模型并進行模型修正，使得模型與實驗中的聲壓值和驅動電壓之間的關系大致吻合。

2.一種基于有限元模型法的HIFU聲場檢測系統，該聲場測量系統是基于有限元模型法原理，其特征在于：能夠使用有限元模型還原HIFU換能器輻射聲場并對其聲參數進行分析，得出其驅動電壓和聲場空間的聲壓。主要實驗部分包括機械運動模塊，集成嵌入式和數據采集模塊；

所述機械臂運動模塊包括5自由度工業機械臂，其負責在超聲聲場三維空間進行伸縮，升降，延伸，旋轉等指令和移動方向、移動速度、移動位置的控制及距離位移的反饋以及球面及弧面規劃路徑運動功能，在聲場空間中實現高精度多自由度運動；

所述運控控制模塊，其負責規劃機械臂在三維空間的運動路徑，并進行實時補償與監控；

所述采集模塊，其將數據采集模塊集成與軟件中，在筆記本能夠實時設置采集參數，并實現實時顯示和存儲數據功能。并計算分析聲場數據，實時反饋于有限元模型中。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：可根據有限元模型對HIFU換能器的聲場進行預測，仿真出該換能器的空間聲場分布特性和聚焦特性，能夠對相應位置的聲壓分布，聲強分布和聲功率進行提取計算，可在不同驅動電壓的激勵條件下對其換能器性能進行分析評價，得出換能器理論的聲壓和驅動電壓之間的關系，并可對其焦點參數進行精確定位。

4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于：將示波器和運動工控箱模塊分別用便攜式示波器和嵌入式運動控制卡來替代，目的將整個測量系統的體積和通訊功能最大精簡化，實現高精度控制機械臂運動，實現對其聲參數進行檢測。機械臂采用弧面運動規劃路徑進行聲場掃描。基于有限元模型法，可操控機械臂直接至焦點坐標進行焦點處的聲場分布測量并實時計算聲功率等聲參數。得到實際驅動電壓和聲壓之間的并反饋于有限元模型，對其聲場參數進行優化使得與實際輻射聲場相吻合。