探针引导式相控阵超声聚焦HIFU原型机的设计与实现

发布时间：2020-06-14 20:33

【摘要】：高强度超声波聚焦(HIFU)是一种现代肿瘤治疗技术,其通过对体内病灶区域的软组织进行高能量超声波照射,使软组织中的肿瘤细胞热凝固化后被杀死,从而治疗癌症。相比于传统的癌症治疗技术,HIFU治疗技术具有无创、无化学损伤、无副作用、安全性高等系列优势,已成为国内外的研究热点。然而,由于人体内组织介质不均匀,造成超声传播在体内不同部位声速与声阻抗不一致,最终导致超声在人体内聚焦成为亟待解决的难题。本文的主要研究工作是针对超声波在人体内的聚焦问题,提出了一套探针引导式相控阵超声聚焦方案,并研究设计出相应的原型机验证系统,旨在解决传统治疗技术在人体内聚焦难的问题。文章的具体研究内容和创新点体现在如下几个方面:1.提出了以探针为引导的超声聚焦方案:基本原理为在预聚焦位置设置一个带反馈的探针,系统利用探针反馈的超声波信号调整发射延时使所有路的超声波能够同时到达聚焦位置实现聚焦。相比于传统的聚焦技术,该方案的最大优势在于只需改变探针的位置然后重新调整系统参数来实现有限区域内任意位置的超声聚焦,无需改变整个发射装置的物理位置和结构。此外,采用探针反馈后,能消除超声传播对介质环境的要求,改善了传统的聚焦方式因人体内介质环境不同所带来的聚焦效果差的问题。2.建立了基于探针引导式的相控阵超声聚焦模型,并完成其理论计算和仿真:采用MATLAB软件建模并得到聚焦面处的声场分布图,计算出聚焦焦斑的长轴半径为4mm,短轴半径为0.7mm。该探针引导式相控阵超声聚焦的MATLAB仿真结果与理论设计相吻合,从而,验证了以探针为引导的超声聚焦方案正确可行。3.实现了所提聚焦方案的原型机设计,并完成聚焦效果测试:原型机主要由相控阵超声波发射装置与探针接收装置构成,超声发射的声信号由探针接收,探针反馈的超声波信号调整发射延时使所有路的超声波同时到达聚焦位置实现聚焦,再调整探针在焦点附近移动,测量焦域大小。测试结果表明,探针能引导聚焦;焦域长轴半径为4.2mm,短轴半径为0.75mm,该性能指标可以满足临床治疗需求。在本实验中,探针引导式相控阵超声已实现聚焦,且效果明显;声压近似呈轴对称分布,聚焦焦域的长轴半径为4.2mm,短轴半径为0.75mm,与MATLAB模拟仿真结果相吻合。这验证了以探针引导的相控阵高强度聚焦HIFU原型机的设计与实现的正确性,所测得聚焦焦域的大小达到了临床治疗的要求。未来,在采用该聚焦方案的HIFU治疗过程中,HIFU机将无需移动,直接把探针插在人体肿瘤处,即可实现聚焦,从而治疗肿瘤。
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH77;TB55
【图文】：

示意图,换能器,示意图,振源

图２．３．１凹球面换能器的示意图逡逑譬．视卿）逡逑ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）是在该坐标下的声压，ｐ是介质的密度，ｃ是超声在介质中的速Ａ邋Ａ是振源的面积，ＡＷ是换能器投影到ＸＹ平面的宽度，Ａｈ是换能Ｙ平面的长度，Ａｗ可用公式２．３．４和公式２．３．５计算出来。逡逑ＡＷ邋＝逦ｊ＾Ｊ逦（１３４，逦Ｘｎ邋￣邋＾ＳＲ逡逑ｙ逦（２．３．５Ｘｎ．ｙｎ）是振源中心在ＸＹ平面上的坐标，Ｗ是换能器的宽度，ｈ足换能是凹球面的曲率半径。公式组２．３．６用来计算这些参数，其中Ｒ是观测离，１是观测点到振源投影的距离。逡逑

焦平面,声压分布

根据表３．３．１的水体仿真参数和Ｅｂｂｉｎｉ等提出的伪逆算法算出各个振元振动逡逑驱动向量Ｕ，再根据第２章中所提到的声场强度计算公式（２．３．３）式求出ＸＹ焦平逡逑面和ＸＺ焦平面各点的声压分布，最后通过绘图工具画出图３．３．２ＸＹ焦平面（左）逡逑和ＸＺ焦平面（右）各点的声压分布。凹球面阵列换能器的示意图如图２．３．１所示，逡逑可以看到凹球面阵元的排列和阵元发射超声波的方向，本文取声波沿Ｘ轴方向的归逡逑一化声压分布图和Ｚ轴方向的归一化声压分布图。声强分布使用归一化的效果如图逡逑３．３．３和如图３．３．４所示。而图３．３．３代表ＸＹ焦平面以最高点为对称中心沿Ｘ轴方逡逑向声压归一化分布图，得到短轴半径0．７ｍｍ；图３．３．４代表ＸＺ焦平面以最高点为对逡逑称中心沿Ｚ轴方向的归一化声压分布图，得到长轴半径（说明：标准规定以逡逑最大声压下降６ｄＢ定义焦域大小，课题中针对凹球面多阵元呈对称关系，和超声波逡逑传播的性质，我们仿真只需画出ＸＹ焦平面和ＸＺ焦平面，分析沿声轴方向的声压逡逑分布图和垂直声轴方向的声压分布图就可以得出该探针引导式相控阵超声聚焦的逡逑ＭＡＴＬＡＢ仿真结果与理论设计是否一致。归一化的原因：仿真和测试的声强单位不逡逑一样，所以都将声强归一化，方便分析和对比。）逡逑

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