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仿真助力超聲聚焦的臨床應(yīng)用研究
今天，來自 COMSOL 認(rèn)證咨詢機(jī)構(gòu) EMC3 咨詢公司的特邀作者 Thomas Clavet 會(huì)在文章中與我們討論如何模擬相控陣和幾何聚焦探頭。
超聲聚焦廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)設(shè)備與技術(shù)中，例如我們熟悉的無損檢測(cè)（NDT）和醫(yī)學(xué)成像。高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）是此技術(shù)的一項(xiàng)臨床應(yīng)用，它利用探頭將大部分能量集中到目標(biāo)組織區(qū)域，使組織發(fā)生凝固性壞死。本篇文章將重點(diǎn)對(duì)超聲聚焦的仿真過程進(jìn)行探討。
設(shè)計(jì)無創(chuàng)超聲設(shè)備的換能器
超聲波擁有一大優(yōu)勢(shì)：無需貫穿發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)之間的傳播路徑，就能夠到達(dá)金屬、人體器官或生物組織內(nèi)部。與外科醫(yī)生使用的醫(yī)療手術(shù)刀不同，超聲波不會(huì)在患者皮膚上留下任何疤痕，它能精準(zhǔn)地對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行治療，周圍的健康組織受損傷的風(fēng)險(xiǎn)也很低。聚焦超聲波已用于或可用于治療前列腺癌和乳腺癌、高血壓，甚至是青光眼等疾病。
根據(jù)不同的換能器設(shè)計(jì)，超聲波有幾種聚焦方式。COMSOL Multiphysics? 軟件是模擬和優(yōu)化換能器的有力工具。設(shè)計(jì)一款能夠有效制造出可到達(dá)靶區(qū)的超聲場(chǎng)的換能器可能是一項(xiàng)棘手的任務(wù)。它依賴于發(fā)射信號(hào)的頻率和功率；超聲波傳播介質(zhì)的衰減和吸收；當(dāng)然還有換能器本身的位置和尺寸。
圖 1：超聲換能器產(chǎn)生的聲場(chǎng)示意圖。
換能器發(fā)射的信號(hào)有兩種聚焦方式：
修改換能器元件的曲率半徑，使其等于焦距（參考上方示意圖）
對(duì)平面陣列換能器施加電壓時(shí)引入相位延遲（參考下方示意圖）
圖 2：用于集中聲信號(hào)的超聲探頭示意圖，它帶有壓電換能器陣列（相控陣）。換能器由背襯材料、壓電元件以及測(cè)試樣品（此圖中為生物組織）的匹配層組成。
很多人選擇使用 COMSOL Multiphysics 對(duì)上述兩種方法進(jìn)行研究。
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