反射式非线性声参量层析成像的研究

非线性声参量Ｂ／Ａ描述了有限振幅波在媒质中传播的非线性特性，有可能成为生物组织定征的新参量。本文提出了利用复合式换能器进行反射式的非线性参量Ｂ／Ａ层析成像的新方法。利用反射二次谐波的传播理论及有限振幅波插入取代法给出了计算机重建Ｂ／Ａ层析像的理论方法。对部分流体及生物组织进行了计算机模拟成像及实验研究，取得了较为满意的结果。     

应用角谱方法研究聚焦声束在层状生物组织中的非线性声传播

应用角谱方法理论研究了聚焦声束在层状生物组织中的非线性传播特性，将声波分解为角谱，可计算垂直于声轴的任意平面的非线性声场。在圆形平面活塞聚焦换能器的焦区中插入多种生物组织样品，数值计算了样品内部及外部的二次谐波声场，并通过实验测量验证了理论方法的有效性。基于快速傅氏变换的角谱方法可直观地描述非线性声传播，对非线性声成像有指导作用。     

非线性声参量计算机模拟成像

非线性声参量Ｂ／Ａ是生物组织超声辨认的一个重要的新参量．本文从Ｂｕｒｇｅｒｓ’方程出发分析了有限振幅平面声波在层状介质中的非线性传播理论，并将它用于二次谐波的声成像，利用通常的ＣＴ算法而得的二次谐波数据进行了非线性声参量的计算机模拟成像，用滤波逆投影算法进行图像重建，对简单的样品模型得到了较好的非线性声参量断层图像．     

利用复合换能器测量反射的二次谐波及介质的非线性参量

计算了有限振幅声波在层状媒质中的传播和反射,研究了用二次谐波反射模式的非线性声参量测量方法,设计制作了用于反射法测量非线性声参量的复合结构超声换能器,利用该换能器及有限振幅插入取代法建立了脉冲反射式测量非线性声参量Ｂ／Ａ的实验系统,对若干流体和生物样品进行了非线性声参量的测量,其结果与现有文献上的值吻合的很好。     

超谐波声场及其生物组织成像的理论及实验研究

理论及实验研究了平面活塞换能器激发的超谐波(三次、四次及五次谐波的线性幅度叠加)的轴向和径向声场特性,讨论了声源强度及传播距离对超谐波的强度及指向性的影响。结果表明在合适的声源强度及传播距离条件下,超谐波的幅度可大于二次谐波,同时-3dB波束宽度变窄,为基波和二次谐波的59%和77%。对生物组织进行了超谐波成像,并与基波、二次谐波图像对比。结果表明超谐波可提高超声非线性成像的灵敏度及分辨率。     

锥形声源的二次谐波声场分布

本文推导了锥形声源的非线性二次谐波声场分布。理论表明锥形源二次谐波声场沿径向呈Bessel函数分布，且与传播距离无关。另一个重要结论是这种声场的二次谐波束宽刚好为基波的1／2，而非一般情况下的1／倍，此外，我们指出了这种声束在非线性参量B/A成象或测量中潜在的应用价值．     

非线性声参量成像及其在医学诊断中应用

本文介绍了我们对于反射模式非线性参量B／A的成像技术的研究结果，包括：(1)基于二次谐波的非线性参量层析成像(2)基于参量阵差频波的非线性参量层析成像(3)非线性参量的等深度C-扫成像。利用这三种成像方法对多种生物组织，特别对正常和病变的生物组织进行非线性参量成像。结果表明，非线性声参量成像可以比线性声参量更容易地判别生物组织的病理状态，从而展示了它在医学超声诊断中的应用前景。     

圆锥面PVDF聚焦换能器的非线性声场理论及实验研究

圆锥面聚焦换能器可在超声成像中获得较好径向分辨率的同时提高探测深度.利用高斯声源函数叠加法来近似表示圆锥面聚焦声源的分布函数，结合近轴近似的KZK方程，得到了圆锥面聚焦换能器在损耗媒质中产生的基波、二次谐波声场的解析解.在实验上制作了PVDF圆锥面聚焦换能器，测量了圆锥面聚焦换能器的基波及二次谐波声场，实验结果和理论计算相符.     

利用k-Wave计算超声在腹壁组织的声辐射力*

随着科学技术的发展,声辐射力在生物医学领域得到了更为广泛的应用,尤其是在弹性成像领域。为了使弹性成像技术更加精准,对声辐射力的预测至关重要。该文基于腹壁组织图像,利用k-Wave对超声波在腹壁组织区域传播时的声场进行数值模拟,获得了其声场分布,进而求得了组织中声辐射力分布情况,同时对面阵换能器的阵元宽度、间距、阵元个数以及工作频率等参量对声辐射力的影响进行了计算与分析。结果表明,腹壁组织的声场分布受其非均匀性的影响,声辐射力的分布情况依赖于换能器参量的选择。该研究为声辐射力在弹性成像技术中的应用奠定了基础,为其技术的改进提供了重要依据。     

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.     

高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究

为探究临床常用的7 MHz高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规律问题,基于Westervelt方程和Pennes传热方程,使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异,然后在非线性模型下探究换能器的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示：在7 MHz频率下,当换能器输出声功率超过5 W时,声波传播的非线性效应不可忽视(p <0.05);当声功率从5 W增大到15 W时,非线性模型与线性模型预测的温度偏差从20%增加到34.703%;高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著,基频能量向高次谐波转移的程度增大,声功率为10 W和15 W时4次谐波与基波之比分别达到7.33%和12.12%;高频换能器参数的改变对组织中声场和温度场分布的影响较大,换能器焦距从12 mm减小到11.2 mm,焦点处最高温度增加了77%。结果表明,7 MHz聚焦超声的非线性声传播需要考虑到4次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。     

基于反相位脉冲技术的生物组织谐波成像研究

理论及实验研究了反相位脉冲技术在生物组织二次谐波成像中的应用。结合有限振幅声波的非线性传播理论,从理论上证明了反相位脉冲技术可有效抑制基波信号,同时二次谐波信号增强两倍,轴向及径向声场的实验测量结果基波被抑制30～50dB,二次谐波提高6dB,与理论相符。建立了相应的成像系统,对若干生物离体组织进行了基于反相位脉冲相位技术的二次谐波成像,并与常规的基波及二次谐波图像对比,进一步证明了该技术能有效提高图像的对比度和清晰度。     

分层结构中兰姆波二次谐波发生的模式展开分析

采用二阶微扰近似和模式展开方法,对分层结构中兰姆波的二次谐波发生问题进行了深入研究,得到了二次谐波声场的一般表达式。兰姆波在分层结构中传播时,固体板材的体弹性非线性效应导致在各固体层的内部及表面出现二倍频的体驱动力及面驱动应力,其作用是在分层结构中激发出一系列二倍频兰姆波的简正模式,这些简正模式的叠加即构成分层结构中兰姆波的二次谐波声场。当构成二次谐波声场的某一二倍频兰姆波简正模式的相速度等于基频兰姆波的相速度时,该二倍频兰姆波简正模式分量表现出随传播距离积累增长的性质。本文还就铝板-环氧粘接层-铝板结构中兰姆波的二次谐波声场进行了数值分析,结果显示,软粘接层性质对二次谐波声场的影响很大。     

生物组织成像中用反相位脉冲技术提高二次谐波信噪比的研究

本文基于有限振幅声波在介质中的非线性传播理论,分析了反相位脉冲技术对生物组织中二次谐波增强的原理.实验中利用反相位脉冲激发超声换能器,对生物组织中传播的非线性信号相加分析.结果表明反相位脉冲技术可有效抑制基波及奇次谐波信号,而可增强偶次谐波信号6dB.与滤波器滤波法相比,反相位脉冲技术在抑制基波信号的同时,可有效地提高二次谐波的信噪比,因而在生物组织的二次谐波成像中具有广阔的应用前景.     

聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场的理论与实验研究

基于Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov(KZK)方程，在频域提出了聚焦超声波在层状生物媒质中传播的理论模型，该模型计及生物媒质的吸收、非线性和边界，同时考虑声源的衍射对声传播的影响.数值研究了聚焦超声波的基波和二次谐波在层状生物媒质中的声传播，并与实验结果相比较.研究结果表明，此方法可以有效地描述聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场. 关键词： 聚焦超声波 层状生物媒质 二次谐波     

含气泡水的强非线性声学特性

本文提出一种描述含气泡水的非线性声场的物理模型。在声波驱动下，气泡壁作受迫振动，遵循Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｐｌｅｓｓｅｔ方程，当共振时振幅很大，产生强烈的非线性振动。这非线性力学振动成为二次谐波声压的源，从而声场表现为强非线性。理论计算与ＷＵ和Ｚｈｕ的实验结果进行了比较，诸如强二次谐波声压等重要声学特性符合得比较满意。     

基于迟滞应力应变关系的非线性声学检测理论与方法研究

本文将传统PM(Preisach-Mayergoyz)模型由一维介质拓展到二维介质,引入迟滞细观弹性单元概念,得到迟滞变化的应力应变关系.并采用一阶有限差分方程进行了声场计算和分析,发现空间声场中含有明显的高阶奇次谐波成分.对接收到的全波信号进行滤波、放大、时间反转后加载到接收换能器对应阵元上再进行发射,观察到高次谐波在微损伤区域实现聚焦.这为利用非线性高次谐波检测微损伤提供了可能的途径,也为疲劳损伤等缺陷的早期检测提供了理论和方法依据.     

兰姆波非线性效应的实验观察

对兰姆波非线性效应进行了实验观察。首先,对实验所采用的Ritec系统进行了介绍,尤其对实验系统的声学部分进行了详细考虑,特别是对二次谐波的时域响应进行了简洁直观的分析。根据兰姆波具有强烈非线性效应的条件,采用斜劈换能器发射和接收兰姆波。改变发射与接收斜劈换能器的间距,对一定频率范围内的兰姆波及二次谐波在固体板表面的振幅进行了测量。在基频与二倍频兰姆波相速度相等所对应的频率附近,分析了二次谐波振幅随传播距离的定量关系,从实验上证实了二次谐波在传播过程中具有积累增长效应的结论。     

二维矩形波导管中的非线性声传播

本文采用部分波和二阶微扰理论对二维矩形波导管内声波的非线性传播问题进行了研究。由二次谐波的边界条件和初始条件，可得到物理图象清晰、便于计算的二次谐波声场解析式。结果表明，不同基波传播模式间的相互作用不存在二阶非线性，管内任意振幅分布的稳态激发源产生的二次谐波为各个模式二次谐波之和，且二次谐波声场分布具有对称性。     

分层半空间表面非线性瑞利波的激发*

针对非线性瑞利波在均匀分层半空间结构中的激发和传播规律进行研究。根据摄动理论和模态分解将分层半空间结构中瑞利波的二次谐波声场表示为二倍频瑞利波模式的线性组合,经由互易关系得到各模式的展开系数表达式。对不同分层半空间结构中瑞利波二次谐波的激发和传播特性进行讨论,结果表明相速度匹配的瑞利波模式其二次谐波分量随传播距离线性增长,非匹配模式的二次谐波分量则沿传播方向周期震荡传播。此外,文中定义非线性参数表征瑞利波模式产生的非线性程度,这有利于选择出具有明显非线性效应的匹配点,为后续检测工作提供理论依据,具有指导意义。