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有限声束非线性超声场的快速计算及其特性研究

作　者: 先永利
导　师: 杜宏伟；彭虎
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 非线性超声场 KZK方程并行计算多线程 Gauss聚焦波频域有限差分法时域有限差分法
分类号: R310
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 91次
引　用: 1次
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内容摘要

非线性超声的高次谐波可以提高医学超声成像的质量。对超声非线性特性的研究和探索可以为非线性超声在各个领域的应用提供理论依据,有助于提高现有的诊断水平。目前,超声成像、治疗多采用满足抛物近似的有限声束非线性超声场,一般用KZK方程描述。KZK方程是一个高阶非线性偏微分方程,难以求出具有明确物理意义的显式封闭解析解,多数情况下只能求得数值解。目前大多用频域和时域方法对KZK方程进行数值求解。频域方法能够方便地处理依赖于频率的吸收效应,因此得到了广泛的应用,而时域方法适用于计算短脉冲激励下的声场。本文的研究工作主要集中在以下两个方面:1、为了解决频域有限差分法计算时间长、存储空间大的问题,提出了一种并行计算模型。理论研究表明非线性有限声束存在多种耦合:谐波之间的全耦合,各场点沿轴向的递推耦合以及沿径向的局部耦合。因此可以将声场沿径向分割成若干个子区域,采用多线程并行计算以提高计算效率。对吸收媒质中单换能器Gauss聚焦连续波进行非线性声场仿真,计算仿真结果表明:当声场计算规模与分割线程数合理匹配时,本算法能够显著提高计算速度同时保证计算精度,计算结果与理论分析相符。2、基于KZK方程,研究阵列换能器的非线性声场特性,我们以Gauss聚焦脉冲波作为具体仿真对象,研究其基波和二次谐波的空间分布特性,可以通过时域有限差分法求解KZK方程。仿真结果表明:二次谐波与基波的空间分布类似,其中沿纵向(Elevation)均近似服从Gauss函数分布,且二次谐波波束更窄。计算结果与理论研究一致。另外,这一研究也为谐波成像的建模奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 概述  9
  1.2 生物医学超声成像技术  9-14
  1.3 生物医学超声其他领域  14-15
  1.4 本文的内容安排  15-17
第二章非线性声学及 KZK 方程简介  17-28
  2.1 引言  17-18
  2.2 非线性声学简介  18-22
    2.2.1 非线性声学基本方程  18-20
    2.2.2 几个重要的非线性声效应  20-22
  2.3 KZK 方程及其解法  22-26
    2.3.1 KZK 方程  23-24
    2.3.2 频域解法  24-25
    2.3.3 时域解法  25-26
  2.4 Gauss 聚焦波简介  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第三章单换能器非线性声场的快速计算和特性研究  28-41
  3.1 引言  28-29
  3.2 并行计算理论  29-31
    3.2.1 并行算法实现  30-31
    3.2.2 多线程编程  31
  3.3 基于多线程的非线性超声场的并行计算模型  31-33
  3.4 算法实现  33-34
  3.5 声场仿真结果及讨论  34-37
    3.5.1 仿真结果  34-36
    3.5.2 计算效率  36-37
  3.6 讨论  37-40
    3.6.1 理论分析  37-39
    3.6.2 算法效率分析  39-40
  3.7 本章小结  40-41
第四章阵列换能器的非线性声场特性研究  41-54
  4.1 引言  41-42
  4.2 非线性声场仿真软件包  42-44
  4.3 算法实现  44-46
  4.4 声场仿真结果及讨论  46-53
    4.4.1 仿真结果  46-52
    4.4.2 讨论  52-53
  4.5 本章小结  53-54
第五章工作总结与展望  54-57
  5.1 工作总结  54
  5.2 展望  54-57
参考文献  57-60
致谢  60-61
硕士在读期间发表文章  61

有限声束非线性超声场的快速计算及其特性研究

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