测量与理论模型结合方法定征高强度聚焦超声非线性声场

【摘要】高强度聚焦超声(HighIntensityFocusedUltrasound,HIFU)是一种治疗实体良／恶性肿瘤的非侵入性新兴治疗技术,焦点的声强可高达103W/cm2,能够在短时间内(秒级)使焦域组织凝固性坏死。为了更好的控制HIFU治疗过程中的临床效果,需要对HIFU的非线性声场进行准确描述。本文首先介绍了HIFU非线性声场的测量方法和相关理论模型,在此基础上讨论了冲击波产生后,HIFU声场的定征方法。针对大张角强聚焦换能器,本论文提出了频域-时域结合算法计算其非线性声场分布的方法。利用椭球坐标系非线性方法(SBE)描述声场分布,在频域计算声场衍射和衰减效应,在时域计算非线性效应。该方法计算结果与Rayleigh积分及传统频域算法计算结果吻合的很好,证明了该计算方法的可靠性。冲击波产生后,传统频域算法计算时会产生明显的波形振荡,利用该方法不仅可以有效的避免冲击波波形振荡而且还缩短了计算时间。冲击波产生后,由于其极限条件(强声压,宽频谱,高空间分辨率),直接测量其声场分布不仅耗时且对测量设备的要求较高。本论文提出实验测量与理论计算相结合的方式定征大张角强聚焦换能器的非线性声场。首先,忽略换能器封装等因素,将其视作表面均一振动的振子,在线性声场条件下确定其有效参数；其次,利用焦点波形二次谐波与基波之比,结合实验测量结果和模型计算结果得到驱动电压与声源表面声压幅值的关系；最后,利用SBE模型计算在任意驱动下的非线性声场分布。将本方法得到的焦点波形与光纤水听器测量结果做对比,结果表明：在较低驱动下,由于非线性效应不足以产生足够高的二次谐波,本方法不能用于描述低驱动下的声场分布；当冲击波产生后,测量波形与仿真结果在峰峰值以及相位上存在差距,两者的频谱在50MHz范围内吻合的很好,这说明冲击波产生后,光纤水听器的测量波形可能受限于带宽等原因,与实际结果存在一定的差距。本章中提出的方法有助于准确定征冲击波产生后的HIFU声场。本论文利用实验测量与理论计算相结合的方法定征HIFU非线性声场,该工作将进一步推进对HIFU声场非线性分布的研究,更加准确的预测超声在活体组织中的传播,从而促进高强度聚焦超声在临床的应用。
【作者】陈涛；
【导师】章东；
【作者基本信息】南京大学，声学，2014，博士
【关键词】高强度聚焦超声；非线性声场；冲击波建模；光纤法测量；

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