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HIFU超声换能器的测试与数值仿真研究

作　者: 朱元光
导　师: 菅喜岐
学　校: 天津医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 高强度聚焦超声声场温度场肿瘤治疗
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高强度聚焦超声是近年来新兴的一种肿瘤治疗手段,并应用于临床治疗。但在临床治疗过程中,常会出现治疗靶区肿瘤组织不能完全致死、皮肤烧伤等临床治疗问题,使该治疗的安全性不能保障。为了解决这些临床问题有必要对HIFU换能器声场、温度场进行有效的预测和测量。研究目的通过对水体中HIFU换能器声场的分布以及离体组织、仿组织体模HIFU温度场实验的研究,分析讨论HIFU声场分布、焦域温度场及组织损伤特性变化规律。从而为HIFU治疗计划的制定提供有效的数据和仿真方法。研究方法(1)通过PT探针式水听器实际测量水槽内HIFU换能器声压分布,并与相对应数值仿真模型结果进行对比方法,验证和修改仿真方法。(2)通过在不同激励条件下对液晶感温膜和仿组织体模进行辐照,讨论焦域形状变化规律以及焦域温度分布。(3)通过在不同激励条件下对离体猪肝组织下进行辐照,讨论损伤区域大小和形状的变化规律。研究结果1.HIFU换能器声场的测定与数值仿真(1)相同激励频率、不同激励功率条件下,随着激励功率的增加焦点处声压值变大,焦点位置基本不变；(2)相同激励功率、不同激励频率条件下,在共振频率下焦点处的声压值最大,随着频率的降低,形成的焦点位置向远离换能器一侧移动；(3)数值仿真声压分布与实验测量结果相一致：(4)在实际操作中如果需要在低于共振频率条件下得到与共振频率下所形成的焦点声压,可以通过增大激励功率的方法得到实现。2.HIFU仿组织体模实验(1)在对HIFU辐照仿组织体模焦域温度分布实验中,68.5℃-73.5℃之间的区域面积较小,73.5。C以上区域面积最大其形状基本为椭圆形；(2) HIFU辐照仿组织体模后,68.5℃-73.5℃之间的区域面积较小,73.5℃以上区域面积最大。随着激励功率的增加,73.5℃以上区域面积逐渐变大,长短轴都逐渐变大,长轴变化幅度大于短轴变化幅度；(3) HIFU辐照仿组织体模后,68.5℃-73.5℃之间的区域面积较小,73.5℃以上区域面积最大。随着照射时间的延长,73.5℃以上区域面积逐渐变大,长短轴都逐渐变大,长轴变化幅度大于短轴变化幅度。3. HIFU离体组织猪肝组织实验(1)随着激励功率的增加,猪肝组织内形成的变色焦域最大剖面的面积逐渐增大,长短轴的长度逐渐增加,长轴变化程度较大。当激励功率在170w和190w时,HIFU辐照后焦域形状呈规则的椭圆形,当激励功率增加到220w时,HIFU照射后焦域形状变得不规则；(2)随着照射时间的延长,猪肝组织焦域最大剖面的面积逐渐增大,长短轴的长度逐渐增加,长轴变化程度较大。当照射时间在8s和10s时,HIFU辐照后焦域形状为规则的椭圆形；当照射时间增加到12s时,焦域形状变得不规则。结论(1)随着激励功率的增加,焦点声压变大,位置不变；随着激励频率的增加,共振频率下焦点声压最大,随着激励频率的降低焦点位置向远离换能器一侧移动；仿真结果与实验结果基本一致。(2)随着激励功率增加和照射时间的延长,仿组织体模和离体猪肝组织焦域面积都逐渐变大,长短轴均变大,长轴变化幅度大于短轴变化幅度；在高激励功率和长照射时间下,离体猪肝损伤区域形状可能变得不规则。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-11
缩略语/符号说明  11-12
一、前言  12-15
  1.1 HIFU换能器声场  12-13
    1.1.1 HIFU换能器声场的数值仿真  12
    1.1.2 HIFU换能器声场的测量  12-13
  1.2 HIFU焦域温度场  13
  1.3 研究目的  13-14
  1.4 研究内容  14-15
二、HIFU换能器声场的实验与数值仿真  15-27
  2.1 HIFU换能器声场的实验测量  15-18
    2.1.1 实验设备及仪器  15-18
    2.1.2 声场测量方法  18
  2.2 HIFU换能器声场的数值仿真  18-23
    2.2.1 微分方程式  18-19
    2.2.2 FDTD差分方程式  19-21
    2.2.3 数值仿真模型及其仿真参数  21-23
  2.3 结果  23-27
    2.3.1 凹球面自聚焦换能器声压分布  23-25
    2.3.2 中孔自聚焦换能器的声压分布  25-27
三、仿组织体模和离体猪肝组织HIFU温度场实验  27-35
  3.1 仿组织体模HIFU温度场实验  27-30
    3.1.1 材料设备及其实验方法  27-28
    3.1.2 实验结果  28-30
  3.2 离体猪肝组织HIFU温度场实验  30-35
    3.2.1 材料设备及其实验方法  30-31
    3.2.2 实验结果  31-35
四、结论与讨论  35-37
  4.1 结论  35-36
  4.2 讨论  36-37
参考文献  37-41
发表论文和参加科研情况说明  41-42
综述高强度聚焦超声波焦域温度场的研究现状  42-59
  综述参考文献  55-59
致谢  59

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