高强度聚焦超声对生物媒质加热的仿真研究

发布时间：2017-08-01 11:16

  本文关键词：高强度聚焦超声对生物媒质加热的仿真研究

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【摘要】：高强度聚焦超声治疗技术是近年来肿瘤治疗技术中最为有效的新方法之一,其重点是利用了超声波的聚焦性、穿透性,将体外低能量的超声会聚到体内肿瘤组织中,从而使肿瘤组织蛋白质短时间内凝固性坏死,同时又不对正常组织造成伤害,使治疗达到微创、无创的效果。对超声治疗中声场、热场分布的研究,有助于客观地分析临床治疗效果,为临床治疗剂量的选择提供指导性意见。本文以理论为依据,以实验仿真为数据结果,具体分析了线性条件和非线性条件两种不同的声场环境下,生物组织的声压、温度和热剂量的变化,对影响声强、温度和热剂量分布的因素做了定量分析,并对肿瘤组织内存在血管的情况下,血管如何影响组织的温升和热剂量的变化做了相关的研究。具体工作如下:第一、将凹球面划分成若干微元,计算出任意微元的声压,通过瑞利积分即可求解出凹球面换能器的线性声场,并运用SBE方程分析和求解了非线性声波的声压,同时进一步探讨了声压与声源参数和组织特性之间的关系。运用Matlab仿真表明,非线性条件相对于线性条件能够更好的聚焦,焦域内的声压随超声声源频率和非线性系数的增大而增大,随曲率半径、组织衰减系数的增大而减小。第二、以线性和非线性声强为基础,利用有限差分法求解Pennes生物热传导方程,并利用热剂量值来描述热损伤程度,具体讨论了超声波声源频率、曲率半径、组织衰减系数、初始声压、非线性系数等因素对焦域内热场分布的影响。仿真结果表明,超声声源频率、表面初始声压越大,组织间相互作用的热效应越明显,焦域热损伤越大;曲率半径、衰减系数越大,超声聚焦性能越差,能量衰减的越多,热损伤越小;超声的非线性效应具有更好的聚焦性能,非线性系数越大,热损伤越明显。第三、利用血管对流传热模型,分析了存在血管的情况下,血管的直径、血管偏离焦域中心位置、血液灌注率以及血流速度对组织温升和热剂量的影响。仿真结果表明,由于血管的存在,超声热损伤区域被血管分割成两块,热损伤区减小;血管尺寸、血流速度或血液灌注率增大,有效热剂量范围明显减小;血管越靠近焦域中心,其影响越大。
【关键词】：高强度聚焦超声 生物热传导方程 非线性声场 血管
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R730.5;TP391.9
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 高强度聚焦超声技术发展现状11-13
• 1.2 高强度聚焦超声治疗原理13-15
• 1.3 高强度聚焦超声的声源及聚焦方式15-18
• 1.3.1 超声声源15-16
• 1.3.2 聚焦方式16-18
• 1.4 高强度聚焦超声治疗的优势及问题18-19
• 1.5 本文的研究内容和结构安排19-21
• 第二章 声场及温度场仿真基本理论21-29
• 2.1 凹球面换能器线性声场方程21-22
• 2.2 椭球坐标系中的非线性球束（SBE）方程22-24
• 2.3 有限差分法24-26
• 2.4 生物热传导方程26-27
• 2.4.1 组织内生物热传导方程26-27
• 2.4.2 血管内生物热传导方程27
• 2.5 热剂量方程27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 凹球面换能器在生物媒质内的声场分布研究29-43
• 3.1 不同媒质内声场分布的比较29-31
• 3.2 线性条件下不同声学参数对声场分布的影响31-35
• 3.2.1 声源频率31-32
• 3.2.2 曲率半径32-34
• 3.2.3 衰减系数34-35
• 3.3 影响非线性声场分布因素的研究35-42
• 3.3.1 线性声场和非线性声场分布比较35-37
• 3.3.2 非线性系数37-38
• 3.3.3 声源频率38-40
• 3.3.4 曲率半径40-41
• 3.3.5 初始声压41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 凹球面换能器在生物媒质内的热场分布研究43-59
• 4.1 线性条件下不同声学参数对热场分布的影响43-50
• 4.1.1 声源频率44-45
• 4.1.2 曲率半径45-47
• 4.1.3 初始声压47-48
• 4.1.4 衰减系数48-50
• 4.2 非线性条件下不同声学参数对热场分布的影响50-57
• 4.2.1 非线性系数50-52
• 4.2.2 声源频率52-54
• 4.2.3 曲率半径54-55
• 4.2.4 初始声压55-57
• 4.3 本章小结57-59
• 第五章 血管对聚焦超声热场分布的影响研究59-69
• 5.1 存在血管时的仿真模型59-61
• 5.2 血管的自身特性对热场影响的仿真61-67
• 5.2.1 有无血管的情况下热剂量分布比较61-62
• 5.2.2 血管直径62-64
• 5.2.3 偏离焦域中心位置64-65
• 5.2.4 血液灌注率65-67
• 5.2.5 血流速度67
• 5.3 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 本论文的主要内容69-70
• 6.2 未来的工作展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 读硕士期间发表的论文76-77

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本文编号：603961