超声换能器带宽对光声成像的影响

研究了不同尺寸吸收体产生的光声压的频谱特性：对于厘米量级、毫米量级和几百个微米量级的吸收体,产生光声压频谱的主要范围分别约为20～300kHz、70kHz～2．5MHz和400kHz～20MHz;讨论了不同频率范围的光声信号对重建图像的影响,低频段的光声信号能反映物体的非边界区域,而高频段的光声信号能突出物体的细微结构,尤其是物体的边界特征。提出了不同尺寸的吸收体要选用或设计不同带宽范围的探测器进行检测的方法．当探测器的带宽范围与光声压频谱范围基本吻合时,损失的频率成份较少,重建的光声图像效果较好,这一结论在仿真和实验结果中都得到了证明。实验用的光源为YAG激光器,波长为532nm,重复频率为30Hz,脉宽为7ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收面积的直径为1mm。     

振动声成像系统分辨率研究

本文从振动声成像的基本原理出发，通过引入点扩展函数PSF和定义轴向响应函数ARF，研究了由凹球面聚焦换能器分割而成的一种典型共焦换能器参数对振动声成像系统侧向分辨率和轴向分辨率的影响。计算研究表明：增大凹球面换能器的口径、减小几何焦距和提高中心频率均可以提高系统的侧向分辨率和轴向分辨率；但改变凹球面换能器的分割比例对两种分辨率影响不尽相同。综合考虑超声换能器激励、聚焦性能以及产生的辐射力效果等因素，则换能器应按等辐射面积原则分割为宜。文中还分析了介质的声衰减系数对实际轴向分辨率的影响。     

高分辨率扇形阵列超声激发振动声成像研究

对扇阵换能器的振动声成像进行了研究.在相关振动声成像和扇阵换能器的理论基础上,经过推导修正并得到了精确的速度势函数.进一步计算并仿真了系统点扩散函数（point spread function, PSF）,构造了组织模型,进行了成像仿真.最后分析了影响扇阵换能器系统分辨率的因素.研究结果表明：用扇阵换能器进行振动声成像可以获得很高的图像分辨率及对比度,在高强度聚焦超声（HIFU）治疗的热损伤检测等方面有重要的应用价值.分析指出通过提高换能器工作频率,减小几何焦距,增大口径可以提高系统的分辨率. 关键词： 振动声成像 扇形阵 点扩散函数     

看不见的“手”——声辐射力及其应用

声波是在弹性介质中传播的经典机械波。当声波在物体表面发生反射、折射、散射等效应时,会与物体产生动量与能量的交换。这种交换在宏观上表现为声波对物体施加力的作用,称为声辐射力,瑞利和朗之万两位科学家正是声辐射力的最早发现者。经过一百多年的探索,声辐射力的基本理论和研究方法已经得到极大的丰富和发展,成为声学的前沿与热点问题。与此同时,在生物医学、材料科学、纳米科学等领域,基于声辐射力的无损精准操控技术正受到越来越多的关注,展现出巨大的应用前景。     

多模态光声分子成像进展*

现代的各种医学影像术,如射线成像、CT、正电子发射(PET)、磁共振(MR)、超声(US)、荧光(FL)等都各具特色,并成功地应用于多种疾病的诊疗。但每种影像术都不能对生物组织做出完整的描述。由若干个成像技术组成的多模态成像技术,是获得组织更多信息的有效途径。光声(PA)成像是能提供组织的成分和功能信息的新成像技术。它不仅灵敏,可以对较深层的组织进行实时、快速、安全的成像,而且可以利用光声光热造影剂实施非侵入的光热靶向治疗。因此,与光声成像相结合的多模态分子成像是实现精准诊疗的重要技术途径。该文以手持US-PA探头的双模态成像系统,直径为1 mm的血管內窥镜US-PA成像系统,可同时用于术前和术中的US-PA-FL三模态成像系统,以及采用外磁场可操控的磁共振-光声光热分子造影剂、进行MR-PA成像引导的光热治疗技术为例,对多模态光声分子成像系统在医学诊断、手术和光热治疗方面的进展做简单介绍。     

准高斯声束对超声造影剂的声辐射力研究*

超声造影剂的定向输运在超声医学成像领域有着极为重要的意义,而声辐射力作用是实现该过程的关键,相比于高斯声束,准高斯声束是无源亥姆霍兹方程的精确解,可以使用标准波分解法简化计算。因此,本文研究了准高斯声束对超声造影剂的声辐射力作用。文章首先分析了准高斯声束与高斯声束之间的相关性;随后通过数值计算求得了准高斯声束对超声造影剂模型的声辐射力函数与无量纲频率之间的关系;最后,本文研究了不同造影剂气泡情况下的声辐射力。研究结果表明:声辐射力函数随无量纲频率变化将在不同位置出现共振峰,不同的波束宽度值将改变辐射力强度,但不改变共振峰的位置。相关结果可为利用声辐射力定向输运超声造影剂至靶向位置提供理论参考。     

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...     

基于长焦区聚焦换能器的扫描光声乳腺成像技术

报道了一种利用长焦区聚焦超声换能器检测光声信号的扫描光声乳腺成像系统.通过增加聚焦换能器焦区的长度,该技术可以快速实现对大块组织(如乳腺)的光声成像.测试结果表明,该实验系统能够对大块模拟样品中吸收体的位置、尺寸以及光能量吸收情况实现较为准确的成像.另外,实验中,该系统还可便捷地与传统的超声技术相结合,从而实现多模式复合的乳腺癌诊断.初步结果显示了该技术路线在乳腺癌早期诊断应用上的前景. 关键词： 乳腺癌诊断 光声成像 扫描光声层析术 脉冲回波法     

实验技术共焦扫描光声层析成像技术的研究

报道了一种新的光声层析成像技术--光声傅里叶变换共焦扫描成像技术.并用该技术获得了强散射物质(生物组织)的层析图像,纵向分辨能力小于0.1mm,横向分辨率小于4mm.     

生物医学光声成像的研究进展

光声成像是21世纪初发展起来的新兴的生物医学成像技术,它同时具备光学成像和声学成像两者的优点,因而备受关注。本文对生物医学光声成像的发展进行了综述。首先,介绍了光声成像的特点以及相对于广泛应用的光学成像技术和声学成像技术的优点;其次,在成像原理上解释了光声成像优点的成因,并介绍了光声断层成像和光声显微镜这两种典型的光声成像技术;再次,详细介绍了多尺度的光声图像分辨率和成像深度,以及多信息维度的光声成像参数;最后,展望了光声成像在生物医学领域的应用潜力并讨论了其局限性。     

Temperature rise induced by an annular focused transducer with a wide aperture angle in multi-layer tissue

In order to improve the operability and accuracy of high-intensity focused ultrasound(HIFU), an annular focused transducer, whereby a B-ultrasound probe is placed in its center, is used to realize the real time monitoring and control of the treatment. In this paper, the spheroidal beam equation(SBE) was used to calculate the sound field by an annular focused transducer with a wide aperture angle to first derive the heat deposition and the Pennes equation was used to calculate the temperature field in multi-layer tissue. We studied the effect of different parameters on the temperature of the tissues. The result shows that the focal length has a significant influence on both maximum liver temperature rise and skin temperature rise, and both increase with the increase in the focal length. When the frequency increases, the temperature rise first undergoes a rapid increase before gradually reaching a maximum, and then finally decreasing. The temperature rise increases while the inner radius decreases or the sound pressure increases. By choosing suitable parameters, the proper temperature rise both on the target tissue and skin via an annular focused transducer with a wide aperture angle can be obtained.     

Study of the temperature rise induced by a focusing transducer with a wide aperture angle on biological tissue containing ribs

We used the spheroidal beam equation to calculate the sound field created by focusing a transducer with a wide aperture angle to obtain the heat deposition, and then we used the Pennes bioheat equation to calculate the temperature field in biological tissue with ribs and to ascertain the effects of rib parameters on the temperature field. The results show that the location and the gap width between the ribs have a great influence on the axial and radial temperature rise of multilayer biological tissue. With a decreasing gap width, the location of the maximum temperature rise moves forward; as the ribs are closer to the transducer surface, the sound energy that passes through the gap between the ribs at the focus decreases,the maximum temperature rise decreases, and the location of the maximum temperature rise moves forward with the ribs.     

具有环形限位夹持力的单轴式超声悬浮系统

基于超声悬浮原理,通过改变单轴式超声悬浮系统的反射和发射端的几何形状,利用凸状发射、反射面在悬浮区域周围产生环形声辐射力势阱作为限位夹持力,提高悬浮样品在驻波声场中的悬浮稳定性。基于时域有限差分法,研究不同谐振腔内的声辐射力分布,以及影响声辐射力大小的因素,优化环形限位夹持力和悬浮力。理论及实验研究结果表明,具有环形限位夹持力的超声悬浮系统可以提高普通单轴式超声悬浮装置对悬浮样品的稳定性。     

柱面波对多层球的轴向声辐射力

在理论和数值上研究柱面波对多层球的声辐射力.基于声波的散射理论,得到声辐射力的解析解,并给出数值仿真.结果表明：在特定的ka和kr₀处,柱面行波的辐射力可以是负值（k是波数,a是多层球的半径,r₀是多层球到声源的距离）.随着kr₀增加到无穷大,仿真结果退化为平面波的情形.对双层球而言,每层的相对厚度影响曲线共振峰的大小和位置,但对三层球而言没有显著影响.当最内层的介质换成空气时,由于声阻抗差异较大,共振峰更加明显.该研究可以为研发新一代单行波声束声学镊子提供理论指导,该技术在生物医学超声和材料科学领域有广泛的应用.     

Analysis of the modulated acoustic radiation-force profile for a dual-beam confocal geometry

A localized modulated radiation force can be produced when two confocal ultrasound beams of nearly equal frequencies interfere in an attenuating medium such as tissue. It is well-established that this force generates both shear and longitudinal waves. By scanning the focal point over a plane and observing the propagation of these waves, the mechanical properties of the medium can be imaged. In this paper, the modulated radiation force is analytically derived in the case of attenuating media, by expanding on the theory of ultrasound-stimulated-vibro-acoustography (USVA) for lossless media. Furthermore, weak nonlinearities are considered in the formulation, since higher source pressures may prove to be necessary to improve the radiation-force profile – only the fundamental component is, however, studied in this paper. An analysis of the generated radiation force is performed and the effects of various parameters are investigated on its amplitude and spatial distribution. It will be shown that by carefully selecting the confocal geometry of the beams, as well as, the source pressure and center frequency, the spatial profile of the radiation force can be optimized. This, subsequently, could improve not only the resolution of the point-spread-function in USVA, but also, the profile of the shear waves in elastography applications.     

驻波场中相位迟后的偶极力

计算了二能级原子在一个驻波场中的辐射压力，给出了在不对空间平均时的辐射压力的普遍表达式，指出辐射压力的零级项应应于受激压力，而一级项对应于偶极力，高队项则可忽略。文中详细地计算了各种不同情况下的偶极力和相位，指出对于不同速度，相位有不同的迟后，这样的结果将严重地影响原子在驻波场中的动力学，用光子再分配模型简单地对有力的相位随速度的变化作了解释。     

A novel approach for description of nonlinear field radiated from a concave source with wide aperture angle

A new approach is proposed to study the nonlinear sound field radiated from a concave spherical source with a wide aperture angle. The nonlinear sound field is theoretically described by a set of equations deduced reversely from the second-order Westervelt nonlinear wave equation. To examine the validity of the theoretical model, numerical calculations are performed on a concave spherical radiator with the aperture angle wide up to 40 degrees. Numerical calculation is implemented by the finite difference time domain algorithm in the oblate spheroidal coordinate system. Numerical results are in agreement with those obtained by Kamakura's solutions.     

离子与尘埃相互作用对离子声波和尘埃声波的影响

基于流体力学方程和与时间相关的线性微扰理论,分析了尘埃等离子体环境中离子与尘埃粒子的相互作用对离子声波和尘埃声波的影响,结果表明两者间的相互作用使得离子声波变得稳定而使尘埃声波变得不稳定。     

基于电磁超声换能器的火车轮探伤研究

利用电磁超声探伤方法对检测火车轮表面及近表面缺陷进行实验探究,从而保证车轮质量,避免事故发生。文章介绍了火车车轮电磁超声探伤的原理和方法。根据电磁超声表面波辐射扩散角的分布情况,得出利用电磁超声表面波进行车轮踏面探伤的可行性。将制作的小巧换能器探头与便携式电磁超声探伤仪配合,能够实现对车轮的快速探伤检测。通过大量的车轮探伤实验,检出了典型车轮踏面缺陷。根据检测波形特点并结合生产工艺情况,分析得出产生缺陷的原因。研究表明:电磁超声无损检测方法能够快速、有效检出车轮踏面缺陷。