热疗用凹球面状环形换能器的研究

    超声热疗已成为肿瘤治疗的一种重要方式,其原理基于细胞的存活率与温度的关系^[1]。利用高强度聚焦超声对治疗区进行加热,则可使病变组织直接消融。近年来,高强度聚焦超声加热治疗技术发展迅速[2]。聚焦超声换能器是高强度聚焦超声治疗系统的关键部件。将压电陶瓷磨成凹面制成的自聚焦换能器,具有良好的耐高温及聚焦性能,在高强度聚焦超声治疗系统中有很好的应用前景^[3,4]。考虑到不同治疗对象治疗区的位置及大小会有较大差异,实际治疗时希望聚焦区能在一定范围可调,而仅用单元自聚焦换能器很难满足这一要求。本文将凹球面压电陶瓷片分割成许多环,分析了环的宽度、激励信号的频率、幅度和相位等因素对声场的聚焦性能的影响,探讨了通过改变各环的组合方式来改变声场特性。

     1　理论

    凹球面自聚焦超声源产生的声场,可由瑞利积分求得。如图1所示,假定声源凹面的曲率半径为R、半孔径为a、频率为f,凹面上各点沿法向振动,振速幅值均为u0,且相位相同,媒质的衰减系数、密度和声速分别为α、ρ、c,则凹面上任意微元ds在距其距离为r′的场点产生的声压为

式中k_c=-jα+2πf/c。对整个凹面求积分即可得到该点的总声压。

    将凹球面分割成许多独立的环,假定各环的外孔径为2_ai1,内孔径为2_ai2,则一个环单独激励时声轴上任一点的声压可看作孔径为2_ai1的凹球面自聚焦正声源和孔径为2_ai2的凹球面自聚焦负声源在该点产生的声压叠加^[5]。n个环同时激励时,声轴上的声压可表示为

要使各环在声轴上某点产生的声压同相,则需根据各环单独激励时在该点产生的声压相位确定各环电激励信号的延时。假定各环在z=F处产生的声压同相,即设计焦距为F时,声轴上的声压可表示为

    2　计算结果及分析

    利用公式(3)、(4),计算了凹球面状单环、多环组合及凹球面状环形相控阵列换能器在水中产生的声场,分析了环的宽度和大小、环数、环激励信号的幅度和频率及相控聚焦点的位置对声场特征的影响。计算时,除无特殊说明,凹球面的曲率半径为3.5 cm,凹面振速幅值u0为1.0 m/s,超声频率为1.0 MHz,水的声速为1 500 m/s、声衰减系数为0.002 2 dB/cm.MHz。

    图2为单个圆环在水中产生的声场的轴向分布,图中1、2和3对应的换能器分别为环的内外半孔径差为0.1 cm、0.3 cm的凹球面状环形声源和凹球面自聚焦声源,环的外半孔径和凹球面自聚焦源的半孔径均为1.5 cm。由图2可知,由于凹面的自聚焦作用,凹球面状单个圆环和整个凹球面产生的声场均有聚焦效果。随着环宽度的增加,声焦距会增加,焦点处的声压幅值增大,但同时近场区声压起伏也明显增加。声焦点并非位于凹球面的几何焦点处,整个凹球面辐射时声焦距小于但更接近凹面的曲率半径。环的宽度很窄时,声场分布很平滑。图3为三个外半孔径分别为1.5 cm、1.0 cm、0.5 cm,内外半孔径差均为0.2 cm的凹球面状环分别单独辐射时,声场的轴向分布。由图可见,各环产生的声场分布情况类似,但环的孔径增大,声焦距及焦点处的声压幅值增大,聚焦点位置往几何中心移。