双层组织中聚焦超声声、热场分布及其物性分析

论文摘要

高强度聚焦超声（HIFU, High-Intensity Focused Ultrasound）技术,作为一种肿瘤的无创治疗技术,已成为医学超声领域的研究热点。不论是对于肿瘤治疗本身,还是对于制订超声治疗设备安全性标准而言,计算声场分布,进而给出热场分布是非常重要的。换能器特性和生物组织特性是影响声场的两大方面因素。一般而言,通过对换能器表面进行瑞利（Rayleigh）积分,获得声场分布。出于简化计算及提高计算速度的考虑,生物组织被假定为单一、均匀组织,具有相同的声物性和热物性。计算过程中声波在组织交界面发生的反射和折射被忽略。但是对于高强度聚焦超声而言,其升温快,为保证治疗安全对聚焦精度要求高,计算声场时,需要考虑声波在不同组织界面发生的反射和折射,以制定有效的治疗方案保证治疗效果和安全性。有效治疗区域及焦点的温度测量是治疗的关键因素。生物组织吸收声能转化为热能,声能量的分布是决定热场分布的重要因素之一。除此之外,生物组织本身的热物性,例如热传导系数、热容也是决定热场分布的重要因素。双层组织之间的热物性差异会直接影响温度的分布。与有损测温、无损测温相比,理论模拟计算测温可以给出更多的信息,帮助术前治疗计划的制定,并且帮助判断治疗过程中温度的分布。同时,能够利用理论模拟计算分析生物组织本身热物性对于温度分布的影响。本文首先利用瑞利积分、伪逆矩阵算法计算单层组织声场分布。在此基础上,计算高强度聚焦超声在双层生物组织中的声场分布。分析单焦点模式下双层组织阻抗的差别引起的反射折射对声场分布的影响。其次,本文以聚焦超声作为热源,通过有限元法求解Pennes方程,建立单层生物组织模型,计算声吸收系数对于热能分布的影响。在此基础上,计算双层生物组织温升,改变生物组织的热传导率及热容,在焦点聚焦在模型不同位置情况下,分析其对温度分布的影响。最后,本文利用实验室自主设计开发的相控HIFU系统及水听器法声场测量系统进行离体组织实验,通过实验说明组织厚度、组织声衰减系数及声波在双层组织界面发生的反射折射对焦点处声压的影响。通过整合实验室自主设计开发的相控HIFU系统及T型热电偶测温针法测温系统实现双层组织实验,说明了热物性对热场分布的影响。本文探索性地研究了聚焦超声在双层生物组织界面的反射和折射,分析了生物组织声物性和热物性对于声场分布及温度分布的影响。这对于治疗计划的制定、实施及其真实温度场的分析具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高强度聚焦超声
• 1.2 相控高强度聚焦超声
• 1.3 相控高强度聚焦超声治疗下组织热场的研究
• 1.3.1 生物组织热场能量传递
• 1.3.2 生物传热模型的构建方法
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 双层组织中聚焦超声的声场分析
• 2.1 换能器声场计算理论
• 2.1.1 单阵元换能器的声场
• 2.1.2 换能器阵列的声场
• 2.1.3 伪逆算法及其优化
• 2.2 双层组织中相控聚焦超声声场的计算理论
• 2.2.1 平面波在两种不通均匀介质分界面上的反射和折射
• 2.2.2 聚焦超声在两种不同均匀介质分界面上的反射和折射
• 2.3 计算结果讨论
• 2.3.1 单层介质中声场分布
• 2.3.2 双层介质中声场分布
• 2.4 本章小结
• 第三章 双层组织中聚焦超声的热场分析
• 3.1 Pennes 生物传热方程及其数值计算
• 3.1.1 Pennes 生物传热方程
• 3.1.2 生物传热方程的数值计算方法——有限差分法和有限元法
• 3.1.3 ANSYS 在HIFU 热场分析中的应用
• 3.2 双层组织中聚焦超声热场的建模及求解
• 3.2.1 ANSYS 中双层组织模型的建立及网格化分
• 3.2.2 加载热源、求解及数据导出
• 3.3 计算结果讨论
• 3.3.1 声吸收系数对于声热场能量转换的影响
• 3.3.2 双层组织中相控HIFU 的热场分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 双层组织中相控 HIFU 声热场实验研究
• 4.1 双层组织中相控HIFU 声场实验
• 4.1.1 水听器法测量聚焦超声声场
• 4.1.2 水听器法测量双层组织中HIFU 声场的实验方案
• 4.1.3 实验结果及讨论
• 4.2 双层组织中相控HIFU 热场实验
• 4.2.1 热电偶测温针法测量聚焦超声热场
• 4.2.2 热电偶测温针法测量双层组织中HIFU 热场的实验方案
• 4.2.3 实验结果及讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文