HIFU治疗中媒质特性及声的非线性对声聚焦影响的研究

论文摘要

聚焦技术是HIFU治疗系统中最为关键的技术，聚焦效果是决定治疗安全与成功的关键。分析计算不同情况下的声聚焦特点，对提高实际治疗效果具有重要意义。本文在综述高强度聚焦超声治疗现状和归纳声波方程的基础上，从两个方面研究了HIFU治疗系统中声聚焦的影响因素。第一从声波传播的规律出发，采用Rayleigh积分研究了媒质特征对声聚焦的影响。第二通过求解声波的非线性方程—SBE方程，研究了声的非线性效应对声聚焦的影响。另外，还由Pennes方程对HIFU治疗中声聚焦与组织升温及温度分布规律的关系进行了定性分析。本论文的主要内容为：1．归纳了声波的一般方程并介绍了非线性声学有关情况。首先，由粗略分析和精确考虑二阶微小项，分别得出声波的线性方程和非线性方程的一般形式。然后，介绍了非线性声学的发展及其两个典型方程：KZK方程、SBE方程，为声场的计算提供了理论基础。2．关于媒质特性对声聚焦影响的研究。由声的波动本质，根据Huygens原理，以单一凹球面自聚焦声源为例，使用Rayleigh积分计算并模拟了声衰减系数、声速、温度等特性参数不同的媒质中聚焦超声的声场分布，得出单一特性对声聚焦的影响。3．关于超声的非线性效应对声聚焦影响的研究。采用Kamakura提出的球束方程(SBE)，以单一凹球面自聚焦声源为例，计算并模拟了声的非线性效应产生的各阶谐波的声场以及在不同媒质参数、声源参数条件下的谐波分布，得出非线性效应在不同条件下对声聚焦的影响。4．对HIFU治疗中温度分布的定性分析。由Pennes方程定性分析了HIFU治疗中影响温度分布的主要因素，再次表明声聚焦对治疗的重要性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 医学超声的分类
• 1.2 高强度聚焦超声（HIFU）治疗
• 1.2.1 HIFU治疗简介
• 1.2.2 HIFU技术的优越性与局限性
• 1.3 聚焦声场的研究方法
• 1.4 本文的研究背景及意义
• 1.5 本文的主要工作及内容
• 第二章 声波的基础理论
• 2.1 声波的线性方程
• 2.1.1 理想流体中的声波和方程
• 2.1.2 物态方程
• 2.1.3 线性波动方程的导出
• 2.2 声波的非线性方程
• 2.2.1 保留二阶微小项的流体介质中的运动方程
• 2.2.2 保留二阶微小项的物态方程
• 2.2.3 保留二阶微小项的质量守恒方程
• 2.2.4 保留二阶微小项的声波动方程
• 2.3 非线性声学简介
• 2.3.1 非线性声学的基础
• 2.3.2 典型的非线性方程
• 2.3.2.1 KZK方程
• 2.3.2.2 SBE方程
• 2.3.3 非线性声学的应用
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声聚焦与媒质特性的关系
• 3.1 研究方法
• 3.1.1 Rayleigh积分
• 3.1.2 凹球面自聚焦声场的积分公式
• 3.2 线性声场的计算与分析
• 3.2.1 不同媒质中声聚焦效果的比较
• 3.2.2 媒质参数对声聚焦的影响
• 3.2.2.1 声衰减系数
• 3.2.2.2 声速
• 3.2.2.3 温度
• 3.3 本章小结
• 第四章 超声聚焦与声的非线性的关系
• 4.1 理论与方法
• 4.2 非线性声场的计算与分析
• 4.2.1 非线性声场的分析
• 4.2.1.1 线性条件和非线性条件下的声场对比
• 4.2.1.2 非线性条件下的谐波比较
• 4.2.2 不同条件下非线性效应对声聚焦的影响
• 4.2.2.1 非线性参量
• 4.2.2.2 超声源频率
• 4.2.2.3 初始声压
• 4.2.2.4 声衰减系数
• 4.2.2.5 凹球面曲率半径
• 4.3 本章小结
• 第五章 声聚焦对治疗影响的分析
• 5.1 超声波的热机制
• 5.2 Pennes方程
• 5.3 由Pennes方程分析聚焦超声波产生的温度场
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文目录
• 致谢