高强度聚焦超声焦域声场特性的数值仿真研究

论文摘要

目的：研究不同人体组织、人体组织结构、聚焦方式以及不同阵元激励函数对焦点区域的位置、大小及其声压和能量密度分布的影响。为HIFU治疗计划和治疗方案的制定提供理论方法和理论依据。方法：利用森田长吉等人提出的超声波非线性传播的时域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)仿真方法,和圆柱坐标系的特性,对具有轴对称特性的水体和特定条件下的人体组织内声波传播,采用两个方向的计算方法分析三维问题,对于不具有轴对称特性人体组织内声波的传播,采用不同组织分界判断的方法进行三个方向的三维仿真,研究不同的激励波形对HIFU形成焦点区域形状、大小位置的影响；分析圆环相控聚焦法对浅层能量密度的影响因素；讨论与换能器声轴非垂直人体组织对焦区的影响。结果：(1)在相同模型条件下,换能器采用不同形状的激励波形形成的焦区声压分布和焦距都不同。(2)相控圆环聚焦法中,改变聚焦圆环到阵列的距离Rh和聚焦圆环的直径d可以改变距阵列60mm以后浅层断面上的能量密度。改变阵元的直径R几乎对浅层能量密度分布没有影响。(3)换能器声轴与人体组织不垂直,小于90°时,角度越小,焦区向垂直于声轴的上、下两个方向偏移的距离越大。不同人体组织内形成的焦区偏移方向不同。结论：利用森田长吉等人提出的FDTD超声非线性仿真方法,研究了不同振动子激励波形对焦点区域声压分布的影响；对不同相控圆环聚焦参数对浅层内能量密度的影响进行了分析研究,为HIFU治疗计划的制定提供了理论数据。同时参照临床治疗实际,建立不具有轴对称的三维仿真模型,为以后三维实际人体组织的仿真计算,建立了简洁有效的仿真方法及仿真程序。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高强度聚焦超声治疗技术
• 1.2 HIFU治疗原理
• 1.3 HIFU治疗声场的研究方法
• 1.4 本文研究目的和内容
• 第二章 超声波非线性传播模型
• 2.1 基本方程式
• 2.2 FDTD圆柱坐标法差分方程
• 2.3 Reichenberger的ESWL水中实验
• 2.4 数值仿真模型及阵元激励函数
• 2.5 凹面聚焦镜聚焦作用的数字实现
• 2.6 三维模型中不同介质分界面的划分
• 第三章 HIFU治疗的FDTD数值仿真
• 3.1 不同阵元激励函数对声场的影响
• 3.2 相控圆环状超声聚焦浅层能量密度分析
• 3.3 人体组织与换能器声轴成一定角度的三维数值仿真
• 第四章 结论与讨论
• 4.1 结论
• 4.2 讨论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况
• 综述
• 超声成像换能器技术的发展
• 综述参考文献
• 致谢