[发明专利]基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法、模拟器、系统

说明书

本发明提供一种基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法、模拟器、系统，所述的方法包括如下步骤：S1：通过获取聚焦超声温度场的数值模拟方程；其中，所述的聚焦超声温度场的数值模拟方程采用Pennes生物热传导方程表示；S2：采用空间二阶精度、时间一阶精度的时域有限差分法求解S1中的数值模拟方程，实现模拟聚焦超声引发的温升效应。本发明利用空间二阶精度、时间一阶精度的时域有限差分算法求解Pennes生物热传导方程，从而建立了一种基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法。聚焦超声温度场的数值模拟精度确实对应空间二阶精度、时间一阶精度的时域有限差分法，确保了模拟仿真的有效性和准确性。

技术领域

本发明涉及聚焦超声温度场仿真技术领域，更具体地，涉及一种基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法、模拟器、系统。

背景技术

高强度聚焦超声波(HIFU)肿瘤消融技术是近年比较开始流行的新型肿瘤治疗方法。其最大特点是利用体外超声波换能器发射的高强度超声波无创地穿过皮肤并在体内的肿瘤形成超声波焦点。焦点处的温度在瞬间升高，从而令周围的肿瘤组织发生凝固坏死，最后形成伤疤或被新陈代谢吸收。如中国专利公开号：CN101108268A，公开日：2008-01-23，公开了一种生物医学工程领域的相控阵聚焦超声的多模式热场形成方法，包括如下步骤：(1)采用多元阵列球面开孔不等间距环形阵列治疗头；(2)采用每种声场模式与一组驱动信号的相位与幅值相对应；(3)利用试探法确定目标靶组织中可用的高热模式声强；(4)温热模式热场声强的调控，以保证加热区域冷点温度上升速率保持为预定值，最终达到形成任意预期均匀温热模式热场的目的。

但目前，现有技术均存在焦点的余热或者焦点聚焦位置不准确等等原因，周围的健康组织也会很容易被杀死，造成不必要的损伤。因此，通过仿真对聚焦超声导致的温度场进行研究，对于聚焦超声设备的设计、聚焦超声疗法的安全性和有效性的保障、聚焦超声疗法的合适策略的制定等方面具有重要的意义。

发明内容

本发明为克服现有技术模拟聚焦超声导致的温度场不够准确的问题，提供了一种基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法、模拟器、系统，其能有效性和准确性模拟仿真聚焦超声温度场。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种基于FDTD模拟仿真聚焦超声温度场的方法，所述的方法包括如下步骤：

S1：通过获取聚焦超声温度场的数值模拟方程；其中，所述的聚焦超声温度场的数值模拟方程采用Pennes生物热传导方程表示；

S2：采用空间二阶精度、时间一阶精度的时域有限差分法求解S1中的数值模拟方程，实现模拟聚焦超声引发的温升效应。

优选地，所述的Pennes生物热传导方程：

其中，T表示生物组织温度；κ_t表示导热系数；C_t表示生物组织比热；C_b表示血管比热；W_b表示生物组织内毛细血管的血液灌注率；T_a表示初始温度；Q_v表示单位体积单位时间内组织吸收的热量；Q_m表示生物代谢生热率。

进一步地，取表示温度的升高量，忽略Q_m，一般起始温度是常数温度，将Pennes生物热传导方程表示为：

对于聚焦超声温度场模拟，Q_v即聚焦超声给生物组织带来的外部热源输入；对于单频稳态聚焦超声场，超声热源Q_v表示如下：

Q_v＝αI_av＝αρ₀c₀V²＝1/2×αρ₀c₀V₀²