申请/专利权人：中国计量大学

申请日：2019-04-15

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN110008615B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G01H11/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2021.05.04#著录事项变更;2019.08.06#实质审查的生效;2019.07.12#公开

摘要：本发明涉及了一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统。本发明采用有限元模型法模拟实际HIFU换能器三维空间声场分布特性和声聚焦形态特征，得出其驱动电压和辐射声场声压之间的关系，采用高精度工业机械臂精准控制测量水听器在高强度聚焦声场的三维空间进行球面声场的快速扫测工作，球面规划运动路径弥补了相位不一致与声辐射角度偏差对声场测量的影响，本发明集成嵌入式运动控制和数据采集模块直接并与笔记本直接相连，最大精简化测量系统，运用高精度工业机械臂，精确扫描空间声场并反馈至有限元型进行优化处理，能够实现有限元模型精确模拟HIFU换能器辐射声场，为超声源的计量测试提供了一种可借鉴的方式。

主权项：1.一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统，该HIFU声场检测系统是基于有限元模型法结合工业机械臂集成嵌入式采集控制模块，其特征在于该系统具体包括以下两个步骤：步骤1：在有限元软件下进行HIFU治疗换能器实际建模及辐射声场仿真，在不同的驱动电压激励情况下进行研究声场传播特性和聚焦形态，记录其驱动电压和辐射声压之间的关系；步骤2：用机械臂加载弧面规划运动轨迹控制测量水听器扫测HIFU三维空间声场检测声场的辐射参数信息，并实时反馈于有限元模型，设置激励参数，针对实际的声场环境进行优化，将有限元模型优化至与实际测量结果吻合；其中，所述步骤1具体为：根据HIFU治疗换能器设备特定的结构设计，在COMSOL有限元仿真软件建立换能器模型，根据其不同工作物理场，加载压力声学模块，压电模块，静电模块和固体力学模块进行多物理场耦合研究，加载不同驱动电压激励参数激励换能器辐射声场，在不同激励条件下研究其声场分布和聚焦特性，对其声场的声参数进行提取和研究，按照需求提取声场三维空间内的不同声场分布，进行声功率计算和焦域大小形态分析；分别测量声场的轴向以及焦平面上径向声压分布，确定加载在换能器上的驱动电压值和对应的辐射声压值的关系，能够对相应位置的声压分布，声强分布和声功率进行提取计算，在不同驱动电压的激励条件下对其换能器性能进行分析评价，对其焦点参数进行精确定位，得出换能器理论的声压和驱动电压之间的关系；其中，所述步骤2具体为：利用五自由度工业机械臂，机械臂的机械手上固定水听器夹具，将测量水听器固定在夹具上，用透声水囊包裹住水听器并进行抱箍密封，控制机械臂使得透声水囊与HIFU自带的水囊进行耦合，透声水囊的材质选用与HIFU自带水囊的密度一致；测量时，把机械臂的安装位置定为原点，设置坐标为0，0，0，在控制软件中输入规划好的路径nx,ny,nz，其中n代表机械手在三维空间转的角度，机械臂采用圆柱坐标形式，设置最大工作半径为800mm，手臂运动参数包括伸缩行程，伸缩速度，升降行程，升降速度，回转范围0°至360°；根据实际的HIFU换能器设备特定的声场环境和焦点位置形态，控制高精度工业机械臂，在其焦域选取1个弧面规划路径进行测量且同时缩小测量面范围，首先通过嵌入式运动控制器控制机械臂运动，在笔记本中输入弧面规划路径的运动轨迹，使得机械臂在三维空间声场中进行高精度运动，耐高声强的光纤水听器扫测弧面声压数据，弧面规划路径能够确保测量水听器的工作端面能够与球面波声场的切线垂直，确保测得数据更加完整，弥补了声辐射角度补偿的问题，将便携式示波器与笔记本连接；将运动控制和数据采集通讯问题高效精简化，能够同步在笔记本上进行声场数据的实时采集功能并显示声场数据成像结果并进行分析；根据实际的声场分布和焦域大小形态，对其有限元模型进行参数设置更改优化，使其与实际HIFU换能器辐射声场吻合，利用实际聚焦换能器和模型一致的特点，实验确定声源表面，声源近场，焦域处的声压值和声轴上的声压轴线数据与驱动电压的关系，并实时反馈于仿真模型并进行模型修正，使得模型与实验中的声压值和驱动电压之间的关系吻合。

全文数据：一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统技术领域本发明主要涉及一种超声源声场检测方法，特别涉及一种基于有限元模型的高强度聚焦声场的检测系统。背景技术医疗仪器如承受超标振动和噪声等因素影响，会导致设备损坏，影响诊断和后续医疗。超声医疗设备定期进行计量检测的目的就是在于对超声设备质量与安全性进行检查及确定，保证其能够正常使用。医用超声源声学性能的计量已经成为医学计量的一个重要分支，高强度聚焦超声治疗系统主要利用超声波在病变部位聚焦瞬间加热到65度以上直接灭活肿瘤细胞。中国完全自主知识产权的“海扶超声聚焦刀”将HIFU技术的无创性、安全性、有效性及可行性融为一体且已经进入了临床实用阶段，目前我国正加紧HIFU技术在临床上实用性研究。现阶段对HIFU的使用剂量和声场形态等未形成有效的评价体系，为了实现安全有效的治疗，必须对HIFU声场分布，声压分布，声功率以及焦域大小形态等做出精确而有效的评价情况，传统的医学计量中计量超声源的方法仍旧停留在大型实验室测试阶段。且目前的检测方法如辐射力天平法，量热法和光栅法等方法的检测原理这决定了它只能获得单一的功率指标，不适用于多参数测量。因此对于HIFU治疗设备的多参数计量检测的装置研制迫在眉睫。发明内容针对上述现有存在的问题，本发明提供了一种HIFU系统声场检测方法，标准装置及聚焦换能器辐射声场模型。一种HIFU系统声场计量检测方法，该检测方法基于有限元模型法原理，其特征在于该方法具体包括以下两个步骤：步骤1：在有限元软件下进行HIFU治疗换能器的辐射声场进行仿真，在不同的激励情况下进行研究声场传播特性和聚焦形态，得到其理论的驱动电压和辐射声场空间的声压值之间的关系；步骤2：用机械臂加载弧面规划运动轨迹控制测量水听器扫测HIFU三维空间声场，检测声场的声参数，得出实际换能器的驱动电压和声压之间的关系，并实时反馈于有限元模型，调整激励参数等设置，针对实际的声场环境进行优化，将有限元模型的驱动电压和声压之间的关系与实际测量结果吻合；其中，所述步骤1具体为：根据HIFU治疗换能器设备特定的结构设计，在COMSOL有限元仿真软件建立换能器模型，根据其不同工作物理场，加载压力声学模块，压电模块，静电模块和固体力学模块等不同物理场进行多物理场耦合研究，加载不同激励电压参数激励换能器辐射声场，研究其声场分布和聚焦特性在不同激励条件下的结果分析，对其声场的声参数进行提取和研究，按照需求提取声场三维空间内的不同声场分布，进行声功率计算和焦域大小形态分析。其中，所述步骤2具体为：根据实际的HIFU换能器设备特定的声场环境和焦点位置形态，控制高精度工业机械臂，在其焦域选取1个球面规划路径进行测量且同时缩小测量面范围，首先通过嵌入式运动控制器控制机械臂运动，在笔记本中输入弧面规划路径的运动轨迹，使得机械臂在三维空间声场中进行高精度运动，耐高声强的光纤水听器扫测球面声压数据，球面规划路径能够确保测量水听器的工作端面能够与球面波声场的切线垂直，确保测得数据更加完整，弥补了声辐射角度补偿的问题。根据实际的声场分布和焦域大小形态，对其有限元模型进行参数设置更改等优化，使其与实际HIFU换能器辐射声场吻合。一种有限元模型的HIFU声场检测系统，该检测方法是基于有限元模型原理，包括机械臂运动模块、集成嵌入式运动控制和数据采集模块。所述机械臂运动模块，其负责在高强度声场控制测量水听器进行高精度路径规划运动。所述嵌入式运动控制模块，其负责控制机械臂进行规划路径运动，控制系统的运动控制，实现机械臂的移动方向、移动速度、移动位置的控制及距离位移的反馈。所述便携式数据采集模块，其负责采集声场数据，并实时保存和显示原始波形和成像结果，实现声信号的采集和分析功能。进一步说，所述的机械臂运动模块采用嵌入式运动控制器进行控制，能够实现三维空间的球面和弧面扫测路径，实现在空间上下左右平动，旋转等功能。具有手动，停止，自动三种运行状态。并可以通过改变机械手的旋转角度实现对声场的高精度扫描，减少了扫描方法路径选择对声场数据结果的影响。进一步说，机械臂运动模块保证测量水听器的平稳移动。通过电机转速调节和驱动器细分数的选择可实现很小的距离分辨率，从而对空间分辨力进行精确的规划，避免由于步长过大带来的精度影响。本发明的有益效果在于：利用有限元模型法来实现对HIFU换能器的声学性能研究，填补了国内外对HIFU超声源现场计量检测方法的空白，实现对HIFU超声源多参数的精准计量检测，为超声诊疗设备的计量检测系统提供了一种可借鉴的方式。附图说明图1为检测系统装置正视图：图2为5自由度工业机械臂示意图；图3为便携式示波器示意图；图4为嵌入式运动控制器示意图；图5为实际HIFU凹球面治疗换能器建模模型示意图；图1中：1、笔记本，2、便携式示波器，3、嵌入式运动控制器，4、网线，5、控制器连接线，6、机械臂，7、测量水听器，8、透声水囊，9、HIFU治疗头，10、HIFU水囊，11、测试水槽架，12、HIFU治疗床。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。本实用发明是基于有限模型法，通过建立模型，分析换能器的声场特点，通过控制机械臂扫测高强度聚焦声场的焦点处的三维空间来实现对其声场的测量。机械臂的机械手上固定水听器夹具，将测量水听器固定在夹具上，用透声水囊包裹住水听器并进行抱箍密封，目的是为了不使得透声水囊里的除气水外漏。控制机械臂使得透声水囊与HIFU自带的水囊进行耦合，透声水囊的材质选用与HIFU自带水囊的密度一致，从而把对声场的影响降到最低。测量时，把机械臂的安装位置定为原点，设置坐标为（0，0，0，），在控制软件中输入规划好的路径（），其中n代表机械手在三维空间转的角度。机械臂总共五个自由度，采用圆柱坐标形式。最大工作半径为800mm，手臂运动参数具体为：伸缩行程600mm，伸缩速度200mms，升降行程为200mm，升降速度为100mms，回转范围0°至360°。根据HIFU换能器的声场特性，采用弧面式扫描路径，这种扫描方法直接使得测量水听器的工作端面直接与HIFU球面波声场的切线垂直，测得数据更加完整，弥补了声辐射角度补偿的问题。将扫测空间球面型声场路径命令加载至嵌入式运动控制器，控制机械臂在声场的三维空间进行运动。其中对机械臂的运动速度需要进行严格要求，避免由于速度过快导造成的透声水囊摇晃等问题。笔记本控制便携式示波器，在笔记本屏幕上实时显示测得的声场数据，并进行实时显示分析，便于分析声场分布形态。整个检测系统的结构设计精简化，将运动控制模块和数据采集模块直接与笔记本相连，将通讯方式简化，亦可携带至超声诊疗现场进行检测。

权利要求：1.一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统，该HIFU声场检测系统是基于有限元模型法结合工业机械臂集成嵌入式采集控制模块，其特征在于该系统具体包括以下两个步骤：步骤1：利用有限元软件下对医疗HIFU治疗换能器建模和辐射声场仿真，在不同的驱动电压激励情况下进行研究声场传播特性和聚焦形态,记录其驱动电压和辐射声压之间的关系；步骤2：用机械臂加载弧面规划运动轨迹控制测量水听器扫测HIFU三维空间声场，检测声场辐射参数信息，并将驱动电压和辐射声压之间的关系反馈于有限元模型并结合实际的声场环境，将有限元模型优化至与实际测量结果吻合；其中，所述步骤1具体为：根据HIFU治疗换能器设备特定的结构设计，在COMSOL有限元仿真软件建立换能器模型，根据其不同工作物理场，加载压力声学模块，压电模块，静电模块和固体力学模块等不同物理场进行多物理场耦合研究，加载不同驱动电压激励参数激励换能器辐射声场，在不同激励条件下研究其声场分布和聚焦特性，对其声场的声参数进行提取和研究，分别测量声场的轴向以及焦平面上径向声压分布，确定加载在换能器上的驱动电压值和对应的辐射声压值的关系。将其中，所述步骤2具体为：根据实际的HIFU换能器设备特定的声场环境和焦点位置形态，控制高精度工业机械臂，在其焦域选取1个球面规划路径进行测量且同时缩小测量面范围，首先通过嵌入式运动控制器控制机械臂运动，在笔记本中输入弧面规划路径的运动轨迹，使得机械臂在三维空间声场中进行高精度运动，耐高声强的光纤水听器扫测球面声压数据，球面规划路径能够确保测量水听器的工作端面能够与球面波声场的切线垂直，确保测得数据更加完整，弥补了声辐射角度补偿的问题。将运动控制和数据采集通讯问题高效精简化，能够同步在笔记本上进行声场数据的实时采集功能并显示声场数据成像结果并进行分析。根据实际的声场分布和焦域大小形态，对其有限元模型进行参数设置更改等优化，使其与实际HIFU换能器辐射声场吻合。利用实际聚焦换能器和模型一致的特点，实验确定声源表面，声源近场，焦域处的点声压值和声轴上的声压轴线数据与驱动电压的关系，并实时反馈与仿真模型并进行模型修正，使得模型与实验中的声压值和驱动电压之间的关系大致吻合。2.一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统，该声场测量系统是基于有限元模型法原理，其特征在于：能够使用有限元模型还原HIFU换能器辐射声场并对其声参数进行分析，得出其驱动电压和声场空间的声压。主要实验部分包括机械运动模块，集成嵌入式和数据采集模块；所述机械臂运动模块包括5自由度工业机械臂，其负责在超声声场三维空间进行伸缩，升降，延伸，旋转等指令和移动方向、移动速度、移动位置的控制及距离位移的反馈以及球面及弧面规划路径运动功能，在声场空间中实现高精度多自由度运动；所述运控控制模块，其负责规划机械臂在三维空间的运动路径，并进行实时补偿与监控；所述采集模块，其将数据采集模块集成与软件中，在笔记本能够实时设置采集参数，并实现实时显示和存储数据功能。并计算分析声场数据，实时反馈于有限元模型中。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可根据有限元模型对HIFU换能器的声场进行预测，仿真出该换能器的空间声场分布特性和聚焦特性，能够对相应位置的声压分布，声强分布和声功率进行提取计算，可在不同驱动电压的激励条件下对其换能器性能进行分析评价，得出换能器理论的声压和驱动电压之间的关系，并可对其焦点参数进行精确定位。4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：将示波器和运动工控箱模块分别用便携式示波器和嵌入式运动控制卡来替代，目的将整个测量系统的体积和通讯功能最大精简化，实现高精度控制机械臂运动，实现对其声参数进行检测。机械臂采用弧面运动规划路径进行声场扫描。基于有限元模型法，可操控机械臂直接至焦点坐标进行焦点处的声场分布测量并实时计算声功率等声参数。得到实际驱动电压和声压之间的并反馈于有限元模型，对其声场参数进行优化使得与实际辐射声场相吻合。

百度查询： 中国计量大学 一种基于有限元模型法的HIFU声场检测系统

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