超声治疗换能器的声场分析

　　1　引言

　　近年来,超声波用于无创性治疗,获得了较大的发展。一般认为,超声波方法在焦点处具有优良的聚焦性能、超声强度容易控制、聚焦位置及形状可随意控制。超声治疗系统是集聚焦、定位、成像、控制于一体的复杂系统。其基本原理是:通过一定聚焦方式,将超声源发出的超声能量聚焦于人体组织,在组织内形成一个声强较高的区域一焦区,经过一定时间的细胞与超声的相互作用,位于焦区内的组织细胞被破坏,而焦区外的组织细胞基本不受损伤[1,2]。本文提出一种新的多阵元球壳形超声换能器结构,研究结果表明,该换能器具有优异的声场性能,完全能够满足超声治疗的应用。

　　2　球壳形多阵元超声换能器的设计

　　本文所述的球壳形多阵元超声换能器是将近百个压电陶瓷片排布在一个几厘米至几十厘米直径的球形凹面上,每个压电陶瓷片均单独构成一个孔径很小的平面圆形活塞式超声换能器,阵元之间在与轴向垂直的平面上的投影以正方形排列。之所以选择多个阵元构成球面,是因为球面在几何上就有一定的聚焦作用,因此,可望获得良好的聚焦效果。为满足深部加热的要求,换能器辐射的声波必须有较大的穿透深度,同时,考虑到工作频率太低会影响声能密度和组织的吸收,选择工作频率f为1MHz。由于要求换能器必须能发出足够大的声功率,所以要求换能器有一定的辐射面积,在选择单个阵元孔径和阵元数时应综合考虑,合理选择;而对于整个多元组合换能器的孔径,应考虑到治疗区域的深度。从讨论声场的方向性可知,各阵元之间的距离应越近越好。但是,为避免生物表面组织损伤和降低由于阵元过多引起超声治疗系统十分复杂,阵元适当留有一定的间隙。本文所述的球壳形多阵元换能器的结构如图1所示。平面圆形阵元直径a为8 mm,阵元间距d为8.5mm,阵元数目n为113,球半径R为100mm,换能器孔径为112mm。

　　3　球壳形多阵元超声换能器的声场模拟

　　(1)单阵元声场计算

　　根据惠更斯原理和亥姆霍兹积分定理可知,平面圆形活塞式换能器的声压为

　　由于要求形成的焦区远离单阵元换能器,由式(1)可得平面圆形活塞式换能器在焦区附近的声压pn可以近似表示为r和z的函数

　　式中,J1为一阶贝赛尔函数;z为计算的场点到辐射面的垂直距离;r为计算的场点到超声传播方向的垂直距离;r0为计算场点到换能器中心的距离;a为平面圆形活塞式换能器的半径;ρ为传播媒质的密度;c为超声在媒质中的传播速度;ω为角频率;u0为换能器面振动速度幅值;k为传播常数,k=ω/c。