相控聚焦超声声场分析及测量实验研究

论文摘要

高强度聚焦超声技术（HIFU, High-Intensity Focused Ultrasound）应用于肿瘤的无创治疗已成为医学超声领域的研究热点。目前主要的聚焦方式有:自聚焦、声透镜聚焦以及电子相控阵列聚焦。与前两种聚焦不同,相控阵聚焦超声系统的治疗头包含多个小的阵元换能器,通过控制单个阵元激励信号的相位达到声束聚焦的目的。由于其灵活可控性,在聚焦超声领域展开了更广泛的研究和应用。HIFU聚焦声场分布参数不仅是HIFU系统最关键的内容,还是HIFU治疗设备安全高效的重要指标。HIFU性能的好坏,治疗效果的优劣,与聚焦声场分布有着密不可分的关系。所以对HIFU声场测量是研究聚焦超声换能器的重要环节。本实验室的凹球面相控型HIFU系统采用控制算法可实现多种焦点控制模式,并在离体组织实验中取得了较好的结果。本文主要从理论分析与实验测量两方面研究讨论其声场分布并计算聚焦参数。首先,使用伪逆矩阵算法计算该相控型HIFU系统的理论声场。用MATLAB等工具模拟焦点位置在声束传播轴向移动和聚焦平面坐标轴上左右移动时的声场分布,分析不同聚焦位置产生的声场旁瓣情况。选择性打开部分阵元,即激励不同的阵元环数,分析其对声场旁瓣的影响。然后使用水听器扫查法测量相控型聚焦超声声场,开发出了相控型聚焦超声声场测量系统。测量系统运用虚拟仪器开发环境LabVIEW软件编写,实现了对采集数据保存及后期的数据处理,声场分布显示和声参数计算等等功能。本文探索性地研究了相控型超声声场的测试方法,并获得了实际聚焦声场的空间分布,取得比较可靠的实验结果。最后将模拟结果及实验结果进行对比讨论,验证了理论模型以及本系统测量相控型超声声场的可行性和有效性,对于治疗计划的实施和构建及其真实声场的分析具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 相控高强度聚焦超声介绍
• 1.1.1 高强度聚焦超声
• 1.1.2 电子相控高强度聚焦超声
• 1.2 聚焦超声声场研究
• 1.2.1 聚焦超声声场测量方法
• 1.2.2 水听器法
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 相控聚焦超声声场的理论研究
• 2.1 原理介绍
• 2.1.1 高强度相控聚焦超声换能器阵元
• 2.1.2 相控型换能器声场理论验证
• 2.1.3 声场计算基本理论
• 2.1.4 伪逆矩阵和声场增益算法
• 2.2 计算结果分析
• 2.2.1 单焦点移动的声场
• 2.2.2 激励部分阵元的声场
• 2.3 本章小结
• 第三章 声场测量系统
• 3.1 声场测量软件编程平台
• 3.2 LABVIEW 测量程序
• 3.2.1 数据采集部分
• 3.2.2 波形分析
• 3.2.3 声场分布显示及参数计算
• 3.2.4 二维声场显示
• 3.3 步进电机VC++控制程序
• 3.3.1 控制原理
• 3.3.2 控制程序
• 3.4 本章小结
• 第四章 实验结果及分析
• 4.1 声场测量实验方案及流程
• 4.1.1 实验目的
• 4.1.2 实验平台及准备
• 4.1.3 测试步骤
• 4.1.4 实验过程设计
• 4.2 实验结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢