HIFU焦域的温度分布模拟及其疗效分析

高强度聚焦超声(HIFU)是一种非侵入性、对正常组织无损伤且不易引起癌细胞转移的肿瘤治疗手段,对其治疗过程中的疗效以及肿瘤周围正常组织破坏情况的监测是实现HIFU治疗剂量精准控制的关键.本文首先从HIFU局部组织加热出发,建立了HIFU治疗系统模型,利用有限元数值模拟了HIFU焦域的声场以及温度场分布,并研究了换能器参数、超声功率、治疗时间对焦域温度分布的影响.结果表明,随着治疗时间的增长,焦点温度上升,逐渐形成椭球状的焦域;在达到治疗疗效时,即焦域径向±0.4 mm椭球范围内的组织温度达到了343 K(70℃)时,随着换能器结构系数(半径/焦距)的减小,所需要的治疗时间增长,所形成的焦域不断扩大,其轴向宽度与径向宽度比值增大,焦域变得细长,焦点处的温度逐渐降低.本研究对已知结构系数的聚焦换能器的焦域温度场仿真,可以为HIFU治疗中的温度估计和监控提供新方法,也可为疗效评估和剂量控制提供新技术.     

光纤水听器测量聚焦换能器声压和温度分布

为了解决人体中高强度聚焦超声(HIFU)焦点处的温度场分布检测的难题，给出了从声压分布入手探测温度场分布问题的新方法。通过搭建光纤水听器自动扫描系统，利用光纤水听器同时测量仿组织材料（TMM）样本中焦斑区域的声场和温度的分布，探究声压和温度在人体组织中的分布关系。通过实验得出，声压最大处和温度场最高处坐标同为(0 mm,0 mm)；-3 dB和-6 dB声束宽度：声压为2.4 mm、3.22 mm，温度为2.44 mm、2.98 mm。实验结果表明，声压和温度的最大值高度重合；仿组织材料样本中超声焦点处的横切面温度分布要比声压分布陡峭，即相比声压分布，温度场的能量分布更加集中，焦点半径更小。     

血管对HIFU治疗焦域影响的实验研究

通过实验测量高强度聚焦超声辐照下仿组织体模中焦域附近特定点的温度变化以及形成焦域大小分析血管对HIFU治疗焦域的影响.当血管位置和血流速度分别不同时利用热电偶探针测量几何焦点上方2 mm处温度,采用Matlab编程计算焦域体积.在血管前方聚焦时,焦域附近峰值温度较高,形成焦域体积较大;在血管后方聚焦时,焦域体积随远离血管距离的增大而增大;无血流时,焦域附近峰值温度较高,焦域体积较大;加入血流之后,焦域附近峰值温度明显降低,但血流速度差异性对峰值温度和焦域大小影响不明显.血管位置和血流速度影响HIFU治疗焦域温度分布,在临床治疗焦域附近有血管时应当考虑血管的影响.     

微型探头测量脉冲超声场参量的初步研究

报道用笔型水听器测量CTS—2A型超声诊断仪的1.25,2.5MHz探头的声场参量结果。1.25MHz探头在轴向距离13cm处声压P_ =0.15789MPa,P_-=0.11658MPa,I_(SPTP)=1.66W/cm~2;2.5MHz探头在轴向距离15cm处P_ =0.055MPa,P_-=0.05955MPa,I_(SPTP)=0.183W/cm~2。声脉冲宽度约在3～5μs。在这样的条件下,液体介质存在引发声空化潜在的危险。     

高强度聚焦超声治疗中基于电阻抗相对变化的组织温度监测技术

高强度聚焦超声(HIFU)通过聚焦超声的声热效应对肿瘤组织进行局部快速的热疗,是一种非侵入性的无创肿瘤治疗新技术,而其治疗过程中温度监测是HIFU治疗中剂量精准控制的关键.本文基于HIFU的声传播基本原理,建立了HIFU治疗和组织电阻抗测量的模型,数值模拟了治疗过程中焦域的声场、温度场和电导率分布,并通过电势和电流密度分布的变化,计算了模型的电阻抗的整体变化,结果表明在一个规定的HIFU声功率作用下,组织模型的电阻抗相对变化和治疗时间呈线性关系,其电阻抗相对变化率和HIFU声功率也呈线性关系.按照仿真条件,建立了HIFU治疗和电阻抗实时测量的联合实验系统,在不同声功率和治疗时间条件下,对组织模型的电阻抗相对变化进行了测量,实验结果和理论仿真结果基本一致.研究结果证明用电阻抗相对变化进行HIFU治疗中焦域温度监控的可行性,为其疗效检测和剂量控制提供了新方法.     

利用声场重构预估声源辐射声功率

针对中低频声辐射,提出了基于声辐射模态、利用声场重构进行声功率预估的方法.通过声场重构获得声源辐射的整个声压场,基于远场径向积分来计算声功率,推导出了辐射声功率计算公式.以平板声源为例进行仿真验证,讨论影响预估精度的一些因素,分析声场重构法预估声功率的稳定性,并与工程测量法进行对比分析.结果表明,由于声场重构法基于近场测量,能够获得远场足够多的信息,在测点不多的情况下可以达到更高的预估精度,并且具有很好的稳定性.     

水听器法测量功率超声振动珩磨空化声场分布

为了直接、简便地研究功率超声振动珩磨作用下的空化效应,对其声场建立数学模型,采用水听器对功率超声振动空化声场参数进行了定点测量,对数学模型所得到的仿真结果进行验证。为了研究流体介质中超声空化声场的分布情况,采用水听器法对不同功率与不同种类液体介质中的辐射超声场进行了多点声压测量。通过对比试验数据分析发现,声波沿换能器截面方向成对称分布,沿换能器轴向方向随距离的增加而衰减;不同种类的液体介质也会影响声压的分布以及空化效应的强弱。该方法可以直观的评价超声振动珩磨作用下的空化声场的强度和分布情况,对后续研究超声珩磨的空化泡动力学行为以及对超声振动珩磨装置的优化设计具有一定的实际应用价值。     

球形障板对矢量水听器接收性能的影响

矢量水听器可以同步共点测量声场空间一点处的声压和质点振速的各个分量,因此其被广泛应用于水声测量、探测、通信等领域。矢量水听器在水声测量的应用中会受到安装载体散射声场的影响,而这种载体可以看作为障板,由于障板的存在使散射声场的分布发生改变,以及矢量水听器的接收性能下降。仅以绝对硬边界为例,对球形障板的散射声场进行了理论计算和仿真分析。并且对带障板条件下矢量水听器的接收指向性的变化进行了仿真研究。结果显示,从散射声场分布图可以直观看出声场发生的变化,矢量水听器的接收性能变化与障板的尺寸、与障板距离远近、声波发射频率等因素有关。     

剪切模量和粘度对HIFU微泡增效治疗声场影响的数值仿真

研究剪切模量和粘度对HIFU微泡治疗声压场的影响.利用气液混合声波传播方程、Yang-Church气泡运动方程、时域有限差分（FDTD）法和龙格-库塔（RK）法建立含微泡的单阵元换能器数值仿真模型,分别改变模型中仿组织体模的剪切模量和粘度,研究其对形成声压场的影响.仿真结果表明,随着剪切模量的增大,焦域中心声压逐渐降低且焦域位置向靠近换能器方向移动;随着粘度的增大,焦域中心声压逐渐降低,焦域位置几乎不变.     

流动管道内噪声源辐射声场数值预估

流动管道内噪声源辐射声场问题难度很大。该文给出了经实验考核的流动管道内声源辐射声场数值预估方法,并给出了圆管外声压级指向性系数图。利用这些图和简单公式,通过测量管外一点的声压级就可确定管内声源声功率。该文数值方法采用线化Euler方程,四阶MacCormack差分格式和Tam与Webb的无反射边界条件数值预估有流动的圆管出口辐射声场,并用声强扫描仪和声级计在半消声室中测量了管内声功率及管外声压分布,数值计算和实验所得声压指向性系数符合良好,最大误差小于1dB。     

超声热疗中媒质特性对声聚焦的影响

以凹球面自聚焦超声换能器为例,用瑞利积分进行数值模拟计算,研究声衰减、声速、温度等参数对声聚焦的影响,并对不同生物组织中声聚焦的特点进行了比较.研究表明,不同的媒质的特性参数聚焦表现出不同的特点.声衰减系数增大,则焦斑向声源靠近且焦斑缩短;声速越大,则焦距越小,但焦域最大声压值升高,焦斑的面积增大;温度变化不大时,对声聚焦的影响不明显.     

铝合金板材涂覆石墨前后的激光吸收率确定方法

针对铝合金板材表面涂覆石墨后激光吸收率的测量问题,利用高温热像仪、热电偶测温的方法,并结合有限元温度场分析的手段,对未涂覆石墨板材激光加热温度场进行了测量及有限元模拟,验证了有限元温度场分析的准确性,通过匹配板材涂覆石墨后板材背面温度场实测结果与仿真分析结果,拟合出了板材涂覆石墨后的激光吸收率。     

连续球面波在凹椭球面上反射的聚焦声场

为分析液电式粉碎肾结石机中的聚焦声场，首次给出单频球面波在凹椭球面上反射聚焦的线性理论关系，求出各频率反射波场的轴向和侧向分布．结果表明：单频球面波的焦点邻区近似单叶双曲面体；聚焦斑的最大声强随焦斑半径是反平方变化；最大声强与偏心率具有单调函数关系；声压幅度侧向分布在焦区近似正态函数和在焦平面上为正态函数．     

一种新型眼科超声生物显微镜

介绍一种新型的眼科超声生物显微镜系统．该系统利用长焦距(13mm)换能器和机械扇扫, 实现了宽景扫描,具有4．8 mm×6 mm 和9．6 mm×12 mm 两种扫描窗宽．使用长焦距换能器还使得检查时换能器远离角膜,极大地减小角膜损伤的风险．用现场可编程门阵列器件(FPGA)实现了硬件动态帧平均从而增强了图像的信噪比．系统中心频率为50MHz,纵向和横向分辨力分别为50 μm 和100μm．一个专门设计的层状靶被用来测试系统的纵向分辨力,其独特的结构保证了高分辨力超声设备的测试精度．     

高强聚焦超声治疗肿瘤的剂量学研究

高强聚焦超声(HIFU)治疗技术出现在1940年代,到1990年代后进入迅速发展时期,被誉为是21世纪无创治疗肿瘤技术.HIFU无创治疗肿瘤的原理,是利用HIFU声焦域中的高能量短时间内"消融"(ablation)靶区的癌症变组织,同时又不伤及周围的健康组织.HIFU剂量学是关系到HIFU治疗技术能否安全、有效地用于临...     

基于主动射流的汽车后视镜区域气动噪声控制

使用大涡模拟和声扰动方程求解后视镜区域气动噪声的非定常流场和声场.通过比较前侧窗19个测点能量平均总压力级的仿真和试验结果发现,两者仅相差2.3 dB(A),它们频谱变化趋势相同,量值差异较小.在此基础上,建立了主动射流模型,并改变射流位置、方向和速度等参数,采用子域仿真方法得到最优射流方案.将最优射流方案置于整车气动噪声仿真模型中,通过与原始模型对比发现,主动射流增大了后视镜尾部的时均压力,减小了压力梯度,降低了后视镜区域涡流强度,使整车气动阻力系数减少0.002,前侧窗网格节点能量平均的总声功率级降低1.8 dB(A),湍流脉动总功率级降低0.3 dB(A).     

聚焦声源声场的有限元研究

以声波动方程及其边界条件为基础,建立了高强度聚焦超声的声场有限元模型,用该模型对水中的声场分布进行了数值模拟计算。首先与实验结果进行了对比,然后计算了轴向声场分布,并与瑞利积分的结果进行了比较,表明二者计算结果基本一致,并分析了造成误差的原因,从而,验证了该方法的正确性。     

闭孔泡沫铝材料吸声性能分析

为更全面地反映闭孔泡沫铝材料的吸声降噪能力,从密度、厚度、背后空腔深度、打孔率几个方面,对闭孔泡沫铝材料的吸声性能进行研究.改变以往单纯用吸声系数的峰值表征的方法,而是用吸声系数的峰值、降噪系数、半峰宽3个指标来评价闭孔泡沫铝材料的吸声性能.通过驻波管法测试吸声系数,用Origin软件进行吸声曲线的分析,建立一次函数....