專利名稱：一種相控陣非線性聲場的定量確定方法
技術領域：
本發明屬于相控陣非線性聲場技術領域，更具體地說，涉及一種相控陣非線性聲場的定量確定方法，是一種簡時、準確的計算非線性聲場的方法。
背景技術：
高強度聚焦超聲(HighIntensity Focused Ultrasound, HIFU)是一種通過將超聲以聚焦在人體目標組織內，使得目標組織升溫形成熱損傷而不影響周圍組織的一種新的無創治療方法。目前采用的換能器主要有相控陣換能器和單聚焦換能器兩種形式。相控陣技術可根據病灶區的深度及大小，通過控制多陣元發射聲束的相位與幅度，實現焦點的精確控制，并可實現多焦點聚焦及電子掃描。目前的相控陣聚焦超聲換能器有平面式、凹面式、聲透鏡式；陣元的形狀有圓形、矩形、柱形、圓環形等多種樣式。 相控陣的聚焦聲場的計算是對相控陣聚焦效果，相控陣陣元激勵的控制，以及相控陣陣元的選擇、分布、排列方式有著很重要的意義。目前的相控陣聲場計算主要方法有:瑞利積分方程計算聲場，這是一種點對點的計算方法，計算聲源發出的聲波在傳播一段距離之后的聲壓大小。在相控陣應用中，每個陣元是一個獨立的聲源，計算出每個陣元的產生的聲場，疊加之后便得到相控陣聲場，目前相控陣聲場計算基本采用瑞利方程計算。這種方法使用于各種陣元排布方式，只需要考慮陣元到計算點的距離。但是由于在高強度聚焦超聲中，不可避免的要考慮到由于媒質的粘滯損耗產生的聲波衰減以及非線性，而瑞利方程只考慮到傳播媒質中的聲波吸收，沒有考慮非線性部分。關于換能器非線性聲場計算方程有=Westervelt方程，Burger方程，以及引申出的KZK方程，橢球坐標系下的SBE方程。它們都是有效準確的計算換能器聲場的方法。但是由于都是有關時域部分的計算，不管是采用時域差分還是有限元模擬，由于時域網格以及空間網格的計算量，使得這些方程計算量很大。面對相控陣這種多陣元的模型，這些方法明顯是繁重的，耗時的。

發明內容
1.發明要解決的技術問題本發明的目的在于克服現有中瑞利方程無法給出非線性聲場，而KZK等方程計算耗時繁瑣的不足，提供了一種相控陣非線性聲場的定量確定方法，該方法可以有效的節省計算時間，與其它方法相比，計算準確、誤差很小。2.技術方案本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是:一種相控陣非線性聲場的定量確定方法，主要包括以下幾個步驟:(a)、根據相控陣陣元的形狀參數以及KZK方程，推導計算出高斯聲束函數疊加擬合的公式形式，并且根據擬合的高斯函數個數采用遺傳算法確定高斯函數的系數，具體如下:
I)給出聲場計算的KZK非線性方程，
「 d2 P cδ d3 ρ η~^---V:p——T—V = O
d:d: 22c orJ其中p為復數聲壓，ζ、τ分別是空間與時間變量，c是聲速，δ為非線性參數，K是二階差分公式d是求導算子。通過分離變量去掉其時域參量得到兩組方程:++O1P1=O oz 2k
「 dp, if Pk、-^ +—^ΙΡ2+α2ρ2 = —ρ； dz 4k\2pc )其中P1、P2分別為關于空間坐標x、y的基波和二次諧波聲壓表達式，k為波數，a pa 2分別為基波和二次諧波下的吸收系數，β為非線性系數，ζ是空間變量，c是媒質中的聲速，P是媒質的密度，k是波數，i是虛數單位，將剩下的空間參量做空間坐標變量上的傅里葉變換，/3(ω, kx ,k ζ)=丄 f f p{r)e'K< 'dxdy.^2 刀"ao J其中#表示傅里葉變換后的聲壓形式，kx、ky分別為傅里葉變換下的x、y的參量，ζ是空間變量，即上面的P1、P2。將兩組方程傅里葉變換后，得到解析解即得到聲壓的表達式:
-1ke~ai(z~z,) f- Γοο j -^Γ^((' .χ,)2+(.ν-.ν,,2'>]p(oj.r) =- j p{co,r )-eChjCiyt
2π{ζ-ζ)表示計算點的聲壓，k為波數，Z是空間變量,ρ(ω,Γ )表示初始點的聲壓，
/表示計算點和初始點關于原點的位移矢量。2)取一組高斯函數，該組高斯函數即用來進行對矩形換能器的初始激勵進行擬合，擬合I)中的聲壓表達式，通過遺傳算法計算得到最優的高斯函數系數。本發明中換能器陣元的高斯函數表達式為:以矩形換能器為例Px(K)=^A產
η=\其中A(I)為坐標軸X方向上傅里葉變換后聲壓表示，kx為傅里葉變換下的X的
參量,八11、811分別為高斯函數的系數，Nx為高斯函數的個數,矩形換能器的戶U為:.(,WΛ sin κχ - χPx (kx )=w _^
2其中wx為換能器X方向的邊長，kx為傅里葉變換下的χ的參量，Λ為兩者之間的
誤差，
權利要求
1.一種相控陣非線性聲場的定量確定方法，其步驟為: (a)、根據相控陣陣元的形狀參數以及KZK方程，推導計算出高斯聲束函數疊加擬合的公式形式，并且根據擬合的高斯函數個數采用遺傳算法確定高斯函數的系數； (b)、根據陣元的個數、大小、排列形式參數以及焦點的位置、強度、個數參數，采用偽逆矩陣算法，計算得到陣元的激勵參數； (C)、根據步驟(b)中陣元的激勵參數，以及步驟(a)中的聲場公式KZK方程，計算得到換能器的基波聲場和二次諧波聲場，從而得到相控陣的非線性聲場。
2.根據權利要求1所述的一種相控陣非線性聲場的定量確定方法，其特征在于:步驟(a)包括: 1)給出聲場計算的KZK非線性方程如下，
3.根據權利要求2所述的一種相控陣非線性聲場的定量確定方法，其特征在于:步驟(b)中，陣元的激勵為一組矩形，陣元激勵傳播到計算點的表達式為傳遞函數，計算點的復數聲壓為一組矩陣，給出相控陣所要求的聚焦效果，即給出焦點位置的聲壓參數，通過偽逆矩陣算法得到陣元的初始激勵，其中偽逆矩陣算法如下: 設η陣元的復數激勵為…un]T,m個焦點T=Iip1, P2…，pm] τ,聲源到焦點處的傳輸因子Hm，n為: Hm,nun=Pm 在線性情況的下的傳輸因子:
4.根據權利要求3所述的一種相控陣非線性聲場的定量確定方法，其特征在于:步驟(c)中計算得到矩形換能器的基波與二次諧波的聲壓表達式如下:
全文摘要
本發明公開了一種相控陣非線性聲場的定量確定方法，屬于相控陣非線性聲場技術領域。其步驟為(a)根據相控陣陣元的形狀參數以及KZK方程，推導計算出高斯聲束函數疊加擬合的公式形式，并且根據擬合的高斯函數個數采用遺傳算法確定高斯函數的系數；(b)根據陣元的個數、大小、排列形式參數以及焦點的位置、強度、個數參數，采用偽逆矩陣算法，計算得到陣元的激勵參數；(c)根據步驟(b)中陣元的激勵參數，以及步驟(a)中的聲場公式KZK方程，計算得到換能器的基波聲場和二次諧波聲場，從而得到相控陣的非線性聲場。本發明可有效省時地計算得到聲場的參數，誤差也很小，因此該方法有著很重要的意義。
文檔編號A61N7/02GK103170068SQ20131012950
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月15日 優先權日2013年4月15日
發明者章東, 許陽, 郭霞生 申請人:南京大學