多阵元聚焦超声透镜的研究及其优化设计

论文摘要

高强度聚焦超声（High intensity focused ultrasund简称HIFU）技术是一种很有前途的无损创伤治疗技术,对体内深层、固体肿瘤组织的治疗具有很好的效果。HIFU技术中最为关键的技术是聚焦技术,目前所采用的聚焦方式主要有:自聚焦、超声相控阵列聚焦、声透镜聚焦等。利用超声换能器与多阵元聚焦声透镜组成的聚焦系统,结合了相控阵列聚焦和多阵元自聚焦换能器的优点,是一种有效、实用的聚焦方式。本文将聚焦声透镜等效为一相位调制器,利用瑞利-索莫菲积分对单锥面、单抛物面聚焦声透镜及由其组成的多阵元聚焦声透镜六种声透镜在不同面形参数下的聚焦声场进行了数值计算,给出了各种聚焦透镜轴线上声强、焦平面上径向声强分布及-3dB声束截面图,对描述聚焦透镜声场的参数进行了计算,初步选取了聚焦效果良好时各透镜的面形参数;利用有限差分法求解了Pennes生物传热方程,对聚焦声透镜焦域内生物组织温度的变化进行了模拟计算,给出了不同面形参数下各聚焦声透镜焦点处组织温度随加热时间的变化规律,并给出了加热时间相同时组织内的温度场分布。以组织温度上升23℃为界、加热时间短、聚焦区域大为依据,对几种聚焦声透镜进行了优化设计,得出了其最优透镜面形参数。数值计算结果表明:当聚焦声透镜的孔径保持不变时,单元聚焦透镜的焦距大,聚焦深度深,聚焦区域大,适于深部组织的热疗;多阵元聚焦声透镜焦距小,聚焦深度浅,径向加热范围要比单元透镜大很多,更适合于浅层组织较大区域的热疗;与抛物面透镜相比,锥面透镜焦距小,聚焦深度浅,加热深度比较浅,但是径向加热范围大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 绪论
• 1.2 HIFU技术的研究现状
• 1.2.1 HIFU技术的形成与发展
• 1.2.2 HIFU技术中聚焦方式的发展
• 1.2.3 声透镜聚焦系统的发展
• 1.3 本课题的研究意义
• 1.4 论文主要内容
• 第二章 声透镜聚焦声场分布的理论计算
• 2.1 引言
• 2.2 透镜声场分布的理论分析
• 2.3 薄透镜的位相调制
• 2.4 透镜的厚度函数
• 2.4.1 圆锥形凹面透镜
• 2.4.2 抛物面透镜
• 2.4.3 多阵元组合透镜
• 2.5 透镜声场的计算
• 2.6 本章小结
• 第三章 声透镜聚焦声场的数值计算与分析
• 3.1 引言
• 3.2 声透镜聚焦声场的计算结果与分析
• 3.2.1 单元锥面声透镜声场计算结果与分析
• 3.2.2 单元抛物面声透镜声场计算结果与分析
• 3.2.3 多阵元组合锥面透镜声场计算结果与分析
• 3.2.4 多阵元组合抛物面透镜声场计算结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 聚焦区域温度场分布数值计算与分析
• 4.1 引言
• 4.2 生物传热模型及其数值计算
• 4.2.1 组织的离散传热模型
• 4.2.2 生物传热的多孔体模型
• 4.2.3 Pennes类生物传热模型
• 4.2.4 考虑灌流组织内血管统计结构的模型
• 4.3 声场聚焦区域内温度场的分布估计
• 4.3.1 单元圆锥面声透镜焦域内温度分布
• 4.3.2 单元抛物面声透镜焦域内温度分布
• 4.3.3 多阵元锥面声透镜焦域内温度分布
• 4.3.4 多阵元抛物面声透镜焦域内组织温度分布
• 4.4 本章小结
• 第五章 声透镜面形参数的优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 透镜面形参数的优化设计
• 5.2.1 单元锥面声透镜
• 5.2.2 单元抛物面声透镜
• 1＝β₂）'>5.2.3 多阵元锥面组合声透镜（β₁＝β₂）
• 1≠β₂）'>5.2.4 多阵元锥面组合声透镜（β₁≠β₂）
• 1＝n₂）'>5.2.5 多阵元抛物面组合声透镜（n₁＝n₂）
• 1≠n₂）'>5.2.6 多阵元抛物面组合声透镜（n₁≠n₂）
• 5.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的成果
• 致谢