基于瑞利积分叠加法的聚焦换能器声场特性研究

基于经典的瑞利积分,提出考虑非线性传播、各次谐波衰减的声场瑞利积分线性叠加算法.分析其原理,并以凹球面聚焦换能器为例,采用该算法研究媒质衰减和非线性传播特性影响声焦域的规律.并与Khokhov-Zabolotskaya-Kuznesov(KZK)数值算法,以及实验结果进行比较,验证瑞利积分线性叠加算法描述高强度聚焦超声(HIFU)声场的有效性.     

热疗用聚焦超声换能器的研究

本文通过数值计算及实际测量,研究了凹球面声透镜聚焦换能器及凹球面自聚焦换能器产生的声场,证实此两种聚焦方式均可获得理想的聚焦效果,但自聚焦方式更适合高强度聚焦超声(HIFU)加热治疗。     

球形腔聚焦换能器的非线性声场建模

球形腔聚焦换能器是一种特殊形式的聚焦换能器。为理论证实球形腔聚焦换能器能突破传统超声聚焦在聚焦精度和聚焦增益上的限制,采用Westervelt非线性方程并结合时域有限差分法,建立了球形腔聚焦换能器的非线性声场的数值模型。数值计算了直径为120 mm的0.6 MHz球形腔聚焦换能器的非线性声场,并与传统球壳形聚焦换能器进行了对比。当激励声压为100 kPa时,球形腔聚焦换能器与同尺寸壳形聚焦换能器相比,焦点正声压增益提高约8.5倍,且焦域精度更高,-6 dB聚焦区域在z方向减小约20倍,达到次波长尺度。研究表明球形腔聚焦换能器在高强度聚焦超声精细治疗上具有潜在的应用前景。      

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

高强度聚焦超声间歇式治疗中焦域温度分布的 仿真研究*

探究不同治疗深度、组织类型和治疗模式对高强度聚焦超声焦域温度场的影响。采用有限元法建立高强度聚焦超声辐照组织的二维轴对称仿真模型,通过Westervelt方程和Pennes生物热传导方程计算高强度聚焦超声焦域的声场和温度场分布。仿真结果表明:随着治疗深度的增加,焦域内温度逐渐降低,有效温升面积减小;不同组织类型在相同条件下的焦域温度不同,但焦域形状差别不大;单次治疗时间长、治疗时间间隔短的模式焦域温升速率快,有效温升面积区域大。焦域温度是高强度聚焦超声肿瘤治疗中判断治疗有效性和安全性的重要因素之一,该文通过数值仿真法,实现了预测高强度聚焦超声间歇式治疗模式下焦域组织温度场分布,有望为制定安全、有效的高强度聚焦超声术前治疗方案提供理论参考。     

球面矩形阵元相控阵高强度聚焦超声手术的子阵工作模式

提出了超声手术治疗肝肿瘤时非侵入性的球面矩形阵元相控阵的多种子阵工作模式:通过图像扫描来确定仅让不受肋骨遮挡的换能器子阵继续工作,并运用超声传播公式、伪逆矩阵算法和遗传算法进行声场的优化合成。结果表明:球面矩形阵元相控阵换能器的多种不同的子阵划分,不仅能够产生手术中需要的单焦点、多焦点等多种治疗模式,其声场的焦域形状和聚焦声强均达到了治疗的要求,而且能够减少肋骨上的声功率累积,避免了正常组织受损,从而可能解决高强度聚焦超声手术治疗肝肿瘤时超声波束受肋骨遮挡不能形成治疗需求声场模式的困难,拓宽治疗区域。     

基于纹影法的聚焦超声声场重建算法研究

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像,首先根据水中声波与光波的作用规律,利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系,再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像,最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知,理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm,重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明,该方法具有一定可行性,可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。     

基于换能器驱动信号特征的高强度聚焦超声焦域损伤实时监测

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)焦域的实时监测是聚焦超声临床治疗面临的关键问题,目前临床常采用B超图像强回声的变化实现焦域组织损伤的监测,而B超图像出现的强回声大多与焦域处的空化及沸腾气泡相关,无法准确、实时地监测治疗状态.HIFU治疗中焦域组织会伴随温度升高、空化、沸腾和组织特性等变化,换能器表面的声学负载也在不断变化,针对该问题,本文构建了换能器电压电流实时检测平台,通过测量换能器电学参数来感知焦域组织的状态变化.以离体牛肝组织作为HIFU辐照对象,并将相位差变化的结果与离体牛肝组织损伤的结果进行了对照,实验结果表明,在HIFU辐照过程中,换能器电压与电流的相位会出现由相对平稳到大幅波动的过程,此时停止辐照可见焦域出现明显损伤,而此时B超图像灰度无明显变化;此外,当焦域出现空化时,其波动幅度与范围将较之更大.此方法可为HIFU焦域组织损伤监测提供一种新的研究方案和手段.     

圆环形聚焦声场的构建与调控

提出了一种由径向振动模式的圆环形压电换能器晶片组成的圆柱形阵列换能器结构, 依据阵元激励信号的相位调控机理, 推导了圆环形聚焦声场的调控公式, 在三维空间中构建了圆环形聚焦声场, 实现了对其聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及轴向位置移动的调控. 理论分析和仿真研究表明, 所提出的圆柱形阵列换能器实现了对圆环形聚焦声场的调控. 为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种可实现的新型圆环形可调控聚焦声场.     

基于分数导数研究高强度聚焦超声的非线性声场

在高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU) 的研究中, 生物组织的衰减和色散性质会对声能量的空间分布产生影响. 本文提出应用分数导数修正非线性Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程, 研究生物组织中非线性HIFU声场. 对三种生物仿体的衰减和声速色散的理论实验研究表明分数导数应用的可行性, 在此基础上通过数值仿真分析研究了衰减及声速随频率的变化对HIFU焦域分布的影响. 研究结果表明, 在计算强非线性聚焦超声时, 由于高次谐波的强色散作用, 引入分数导数来解决生物组织特殊的衰减以及色散问题可进一步提高HIFU治疗的安全性. 关键词： 分数导数 声衰减 色散 高强度聚焦超声     

Acoustic power measurement of high intensity focused ultrasound in medicine based on radiation force

How to measure the acoustic power of HIFU is one of the most important tasks in its medical application. In the paper a whole series of formula for calculating the radiation force related to the acoustic power radiated by a single element focusing transducer and by the focusing transducer array were given. Various system of radiation force balance (RFB) to measure the acoustic power of HIFU in medicine were designed and applied in China. In high power experiments, the dependence of radiation force acting the absorbing target on the target position at the beam axis of focusing transducer was fined. There is a peak value of "radiation force" acting the absorbing target in the focal region when the acoustic power through the focal plane exceeds some threshold. In order to avoid this big measurement error caused by the 'peak effect' in focal region, the distance between the absorbing target of RFB and the focusing transducer or transducer array was defined to be equal to or less than 0.7 times of the focal length in the National Standard of China for the measurements of acoustic power and field characteristics of HIFU. More than six different therapeutic equipments of HIFU have been examined by RFB for measuring the acoustic power since 1998. These results show that RFB with the absorbing target is valid in the acoustic power range up to 500W with good linearity for the drive voltage squared of focusing transducer or array. The uncertainty of measurement is within +/-15%.     

Numerical simulations of partial elements excitation for hemispherical high-intensity focused ultrasound phased transducer

The hemispherical phased transducer maximizes the coverage of the skull and the ultrasonic energy per unit area of the skull is minimized, thereby reducing the risk of skull burns, but the transducer has a small focal area adjustment range, increasing the focal length of treatment is an urgent question for this type of transducer. In this paper, a three-dimensional high-intensity focused ultrasound (HIFU) transcranial propagation model is established based on the human head structure. The finite difference time domain (FDTD) is combined with the Westervelt acoustic wave nonlinear propagation equation and Penne's biological heat conduction equation for numerical simulation of the sound pressure field and temperature field. Forming a treatable focal area in a small-opening hemispherical transducer with a small amount of numerical simulation calculation focusing at a set position to determine the minimum partial excitation area ratio of focusing. And then, applying these preliminary results to a large-opening diameter hemispherical transducer and the temperature field formed by it or full excitation is studied. The results show that the focus area with the excitation area ratio of less than 22% moves forward to the transducer side when the excitation sound is formed. When the excitation area ratio is greater than or equal to 23%, it focuses at the set position. In the case of partial incentives, using 23% of the partial array, the adjustable range of the treatable focal area formed in the three-dimensional space is larger than that of the full excitation.     

界面条件下线型超声相控阵声场特性研究

开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究.将带有楔块的超声相控阵问题合理简化为液固界面的情况进行讨论.根据射线声学理论,计算了单阵元在液固界面存在时的辐射声场,进而推导了聚焦法则,得到了超声线型阵在液固界面存在时的声场、位移场表达式.对安装在楔块上的相控阵换能器的辐射声场进行了仿真,并讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响,结果表明利用聚焦能提高分辨率和灵敏度,但聚焦区域之外声束性能更差,在实际检测中要合理利用聚焦. 关键词： 超声相控阵 界面 声场 聚焦     

微泡对高强度聚焦超声声压场影响的仿真研究*

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗焦域具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU形成声压场的影响尚不清楚。本文基于气液混合声波传播方程、Keller气泡运动方程、时域有限差分(FDTD)法和龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入声压、激励频率、气泡初始空隙率和气泡初始半径对HIFU形成声压场的影响。研究结果表明,随着输入声压的增大,焦点处声压升高但焦点处最大声压与输入声压的比值减小,焦点位置几乎不变;随着激励频率和气泡初始半径的增大,焦点处声压升高且焦点位置向远离换能器方向移动;随着气泡初始空隙率的增大,焦点处声压降低且焦点位置向换能器方向移动。     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

基于电阻抗层析成像的高强度聚焦超声温度监测技术

作为一种对正常组织无损伤且不易引起癌细胞转移的非入侵肿瘤治疗手段,高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中焦域的温度监测是实现剂量精准控制的关键.本文基于生物组织的温度-电阻抗的关系,将电阻抗层析成像(EIT)和HIFU治疗相结合,提出了一种利用组织焦平面的表面电压实现电阻抗重构的检测技术.建立了HIFU治疗和EIT综合系统模型,在考虑组织的声吸收条件下,对三维Helmholtz方程在柱坐标下的声场计算进行了二维简化,并引入Pennes生物热传导方程来计算HIFU焦域的声压和温升分布特性;引入生物组织的温度-电阻抗关系,基于麦克斯韦电磁场理论,建立了具有温度分布HIFU焦域的电流和电压计算模型,利用恒流注入的边界条件实现电场计算,获得焦平面的表面电压分布.在数值计算中,利用实验聚焦换能器参数,模拟了在固定声功率下组织焦域的声场和温度场分布,以及中心和偏心聚焦条件下不同治疗时刻的电导率分布;然后通过对称电极的循环电流注入,计算了组织模型焦平面内的电流密度和电势分布,获得了焦平面圆周分布的表面电极电压;进一步采用修正的牛顿-拉夫逊算法,利用32×32的表面电极电压实现了焦平面内电导率分布的重建.结果表明,基于温度-电阻抗关系的EIT电导率重建技术不但能准确定位HIFU焦域中心,还能恢复HIFU治疗中焦域的温度分布,证明了EIT用于HIFU治疗中温度监测的可行性,为其疗效评估和剂量控制提供了一种无创电阻抗测量和成像新方法.     

超声吸收体物理参数对红外热成像测量高强度聚焦超声声场的影响

超声吸收体的物理参数对利用水听器和红外热成像技术的高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)声场测量结果具有重要影响。为了探索超声吸收体的物理参数(密度、声速、衰减系数、热扩散系数、定压比热容)对测量结果的影响规律,本文根据层状模型计算出相同声源功率输出时不同物理参数对应的超声吸收体内部声场和热场,利用有限差分法计算出超声吸收体表面在辐照过程中的温度变化;利用基于水听器和红外热成像技术的聚焦声场测量方法测量出焦域内不同位置上声场特征值(轴线声强和-6 dB声束宽度),与通过理论计算得到的声源在纯水中声场特征值进行比较,分析了不同物理参数对测量结果的影响。超声吸收体的声、热学参数中除了声速外,其它物理参数的变化引起声场特征值的测量造成最大相对差异率小于15%。因为声波传播速度的改变会导致超声吸收体内部热场分布变化,使测量结果与理论计算值有较大偏差,其中-6 dB声束宽度和轴线声强最大相对差异率为95.37%和69.97%。因此在选择超声吸收体的声、热学参数时应重点关注声波在吸收体内声速的影响。超声吸收体的声学参数与水的声学参数相近时,可以在焦域内获得较好的测量结果。      

微泡对高强度聚焦超声焦域影响的研究

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU治疗焦域的影响尚不清楚。本文基于声传播方程、Yang-Church气泡运动方程、生物热传导方程、时域有限差分法(FDTD)、龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入功率、激励频率和气泡初始半径对HIFU在含气泡体模中形成焦域的影响,并利用含Sono Vue造影剂的仿组织体模研究进行实验验证。结果表明,增大输入功率、气泡初始半径和升高激励频率均可增大焦域,随着输入功率的增大,焦域形状可能发生变化,而随着激励频率升高和气泡初始半径的增大,焦域会向远离换能器的方向移动。