[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

本發明涉及了一種基于有限元模型法的HIFU聲場檢測系統。本發明采用有限元模型法模擬實際HIFU換能器三維空間聲場分布特性和聲聚焦形態特征，得出其驅動電壓和輻射聲場聲壓之間的關系，采用高精度工業機械臂精準控制測量水聽器在高強度聚焦聲場的三維空間進行球面聲場的快速掃測工作，球面規劃運動路徑彌補了相位不一致與聲輻射角度偏差對聲場測量的影響，本發明集成嵌入式運動控制和數據采集模塊直接并與筆記本直接相連，最大精簡化測量系統，運用高精度工業機械臂，精確掃描空間聲場并反饋至有限元型進行優化處理，能夠實現有限元模型精確模擬HIFU換能器輻射聲場，為超聲源的計量測試提供了一種可借鑒的方式。

技術領域

本發明主要涉及一種超聲源聲場檢測方法，特別涉及一種基于有限元模型的高強度聚焦聲場的檢測系統。

背景技術

醫療儀器如承受超標振動和噪聲等因素影響，會導致設備損壞，影響診斷和后續醫療。超聲醫療設備定期進行計量檢測的目的就是在于對超聲設備質量與安全性進行檢查及確定，保證其能夠正常使用。醫用超聲源聲學性能的計量已經成為醫學計量的一個重要分支，高強度聚焦超聲治療系統主要利用超聲波在病變部位聚焦瞬間加熱到65度以上直接滅活腫瘤細胞。中國完全自主知識產權的“海扶超聲聚焦刀”將HIFU技術的無創性、安全性、有效性及可行性融為一體且已經進入了臨床實用階段，目前我國正加緊HIFU技術在臨床上實用性研究。

現階段對HIFU的使用劑量和聲場形態等未形成有效的評價體系，為了實現安全有效的治療，必須對HIFU聲場分布，聲壓分布，聲功率以及焦域大小形態等做出精確而有效的評價情況，傳統的醫學計量中計量超聲源的方法仍舊停留在大型實驗室測試階段。且目前的檢測方法如輻射力天平法，量熱法和光柵法等方法的檢測原理這決定了它只能獲得單一的功率指標，不適用于多參數測量。因此對于HIFU治療設備的多參數計量檢測的裝置研制迫在眉睫。

發明內容

針對上述現有存在的問題，本發明提供了一種HIFU系統聲場檢測方法，標準裝置及聚焦換能器輻射聲場模型。

一種HIFU系統聲場計量檢測方法，該檢測方法基于有限元模型法原理，其特征在于該方法具體包括以下兩個步驟：

步驟1：在有限元軟件下進行HIFU治療換能器的輻射聲場進行仿真，在不同的激勵情況下進行研究聲場傳播特性和聚焦形態，得到其理論的驅動電壓和輻射聲場空間的聲壓值之間的關系；

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，檢測聲場的聲參數，得出實際換能器的驅動電壓和聲壓之間的關系，并實時反饋于有限元模型，調整激勵參數等設置，針對實際的聲場環境進行優化，將有限元模型的驅動電壓和聲壓之間的關系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，加載不同激勵電壓參數激勵換能器輻射聲場，研究其聲場分布和聚焦特性在不同激勵條件下的結果分析，對其聲場的聲參數進行提取和研究，按照需求提取聲場三維空間內的不同聲場分布，進行聲功率計算和焦域大小形態分析。

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。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。