HIFU治疗中声衰减及声阻抗特性的测量与研究

发布时间：2020-11-01 17:52

　　 高强度聚焦超声(HIFU)治疗是近年来兴起的一种新型肿瘤治疗技术,具有无损、局部绿色以及临床应用潜力大等优点。HIFU信号在人体组织传播过程中,由于器官组织结构的复杂性,诸多被激励出的波形成分在组织内部经过反射、透射、折射以及散射和吸收衰减,信号的幅值、能量、频率、相位、传播速度等随温度发生相应的改变,组织的某些声学特征参数呈现出有规律的变化从而反映出生物组织的微观结构特性以反馈治疗效果。本文基于超声传输原理和信号处理的相关方法,探讨了组织声学特征参数(声衰减和声阻抗)的测量及相关性质,主要内容有:1.超声传输原理阐述和实验系统的搭建。介绍了生物组织中声波传播理论,分别搭建了HIFU实验系统和恒温水浴实验系统,选取离体猪肉组织作为实验对象,利用上述实验系统获取实验数据,研究了超声回波信号截取滤波等预处理并分析其效果。2.衰减系数的测量与研究。提出了利用品质因子加权反演衰减系数的方法,通过信号中心频率提取品质因子,并比较不采用分频算法和分别采用ITD及EMD分频算法确定中心频率对衰减系数测量精度的影响。仿真结果显示采用分频算法求取各层中心频率后提取的品质因子反演得到的声衰减系数误差明显比不采用分频算法低,且经过EMD方法得到的结果优于ITD方法。通过对HIFU实验中组织的声衰减系数进行研究,发现声衰减系数总体趋势上与频率近似呈线性关系,且随着温度升高,衰减系数呈平方递增趋势。3.声阻抗的测量与研究。根据超声传输原理,建立了离体猪肉组织模型,推导出声阻抗与回波能量的数学关系应用于HIFU治疗区域声阻抗的测量,并利用水浴系统设计对比实验进行验证分析。结果表明两种方法测量的声阻抗相对误差控制在0.5%以内,且二者随温度变化趋势均呈现出良好的一致性,也证明本文提出的回波能量法能有效测量HIFU治疗区组织声阻抗。
【学位单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R730.5;TB559
【部分图文】：

2.1 超声波传输的基本原理2.1.1 媒质中声波方程理论假设在声场中取一足够小的体积元，如图2.1所示，其体积为Sdx（S 为体积元的垂直于x方向的侧面的面积），当体积元受到声扰动时受到的压强由0P 变为1P，则产生的逾量压强10p P P定义为声压。由于声压 p 随位置而异，因此作用在体积元两侧上的力是不相等的，其合力就导致这个体积元的质点沿x方向的运动。图2.1 声场中体积元示意图当有声波经过时，体积元左侧的压强为 P p0，则作用在体积元该侧的力为

硕士学位论文12图2.2 平面波垂直入射情况如果一系列声压为j( tkx)iiappe 的平面波从媒质Ⅰ垂直入射到分界面上，由于分界面两侧媒质的声阻抗不一样，会有声波一部分反射回去，另一部分透射进入媒质Ⅱ中[52-53]。求解媒质中一维声波方程可得声压1p 为()()111jtkxjtkxpAeBe （2-16）式中第一项代表沿x方向前进的波，也就是原来的入射波ip ，常数 A为入射波的幅值iap ；第二项代表沿x负方向行进的波，其中常数B 为反射波的幅值rap ，入射波遇到分界面后再反射回媒质Ⅰ中的反射波记为rp ，即有()1jtkxrrappe

硕士学位论文14图2.3 平面波斜入射情况当入射超声波从左边与界面法线方向成i 角方向右面的另一介质传射入，根据斯奈尔声波反射定律[54]，反射角等于入射角，即ri ，折射角满足1221sinsincckkit ，则入射、反射与透射波可表示为 (coscos)(coscos)(coscos)221111itrriijtkxkxttajtkxkxrrajtkxkxiiappeppeppe （2-21）同理，根据声压反射系数与声压透射系数的定义,并结合固定介质的连续性边界条件可以得出反射波声压与入射波声压之比pr ，透射波声压与入射波声压之比pt 为： iiiitipiiiiititpmnmccctmnmnccccr 22221122222222112211cossin2coscoscos2coscossincossincoscoscoscos（2-22）式中12 m 为密度比，2112cckkn 为媒质Ⅱ对媒质Ⅰ的折射率。2.2 实验方法与
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本文编号：2865883