【摘要】：高強(qiáng)度超聲波聚焦(HIFU)是一種現(xiàn)代腫瘤治療技術(shù),其通過對體內(nèi)病灶區(qū)域的軟組織進(jìn)行高能量超聲波照射,使軟組織中的腫瘤細(xì)胞熱凝固化后被殺死,從而治療癌癥。相比于傳統(tǒng)的癌癥治療技術(shù),HIFU治療技術(shù)具有無創(chuàng)、無化學(xué)損傷、無副作用、安全性高等系列優(yōu)勢,已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。然而,由于人體內(nèi)組織介質(zhì)不均勻,造成超聲傳播在體內(nèi)不同部位聲速與聲阻抗不一致,最終導(dǎo)致超聲在人體內(nèi)聚焦成為亟待解決的難題。本文的主要研究工作是針對超聲波在人體內(nèi)的聚焦問題,提出了一套探針引導(dǎo)式相控陣超聲聚焦方案,并研究設(shè)計(jì)出相應(yīng)的原型機(jī)驗(yàn)證系統(tǒng),旨在解決傳統(tǒng)治療技術(shù)在人體內(nèi)聚焦難的問題。文章的具體研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:1.提出了以探針為引導(dǎo)的超聲聚焦方案:基本原理為在預(yù)聚焦位置設(shè)置一個(gè)帶反饋的探針,系統(tǒng)利用探針反饋的超聲波信號調(diào)整發(fā)射延時(shí)使所有路的超聲波能夠同時(shí)到達(dá)聚焦位置實(shí)現(xiàn)聚焦。相比于傳統(tǒng)的聚焦技術(shù),該方案的最大優(yōu)勢在于只需改變探針的位置然后重新調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)有限區(qū)域內(nèi)任意位置的超聲聚焦,無需改變整個(gè)發(fā)射裝置的物理位置和結(jié)構(gòu)。此外,采用探針反饋后,能消除超聲傳播對介質(zhì)環(huán)境的要求,改善了傳統(tǒng)的聚焦方式因人體內(nèi)介質(zhì)環(huán)境不同所帶來的聚焦效果差的問題。2.建立了基于探針引導(dǎo)式的相控陣超聲聚焦模型,并完成其理論計(jì)算和仿真:采用MATLAB軟件建模并得到聚焦面處的聲場分布圖,計(jì)算出聚焦焦斑的長軸半徑為4mm,短軸半徑為0.7mm。該探針引導(dǎo)式相控陣超聲聚焦的MATLAB仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)相吻合,從而,驗(yàn)證了以探針為引導(dǎo)的超聲聚焦方案正確可行。3.實(shí)現(xiàn)了所提聚焦方案的原型機(jī)設(shè)計(jì),并完成聚焦效果測試:原型機(jī)主要由相控陣超聲波發(fā)射裝置與探針接收裝置構(gòu)成,超聲發(fā)射的聲信號由探針接收,探針反饋的超聲波信號調(diào)整發(fā)射延時(shí)使所有路的超聲波同時(shí)到達(dá)聚焦位置實(shí)現(xiàn)聚焦,再調(diào)整探針在焦點(diǎn)附近移動(dòng),測量焦域大小。測試結(jié)果表明,探針能引導(dǎo)聚焦;焦域長軸半徑為4.2mm,短軸半徑為0.75mm,該性能指標(biāo)可以滿足臨床治療需求。在本實(shí)驗(yàn)中,探針引導(dǎo)式相控陣超聲已實(shí)現(xiàn)聚焦,且效果明顯;聲壓近似呈軸對稱分布,聚焦焦域的長軸半徑為4.2mm,短軸半徑為0.75mm,與MATLAB模擬仿真結(jié)果相吻合。這驗(yàn)證了以探針引導(dǎo)的相控陣高強(qiáng)度聚焦HIFU原型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的正確性,所測得聚焦焦域的大小達(dá)到了臨床治療的要求。未來,在采用該聚焦方案的HIFU治療過程中,HIFU機(jī)將無需移動(dòng),直接把探針插在人體腫瘤處,即可實(shí)現(xiàn)聚焦,從而治療腫瘤。
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH77;TB55
【圖文】：

圖２．３．１凹球面換能器的示意圖逡逑譬．視卿）逡逑ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）是在該坐標(biāo)下的聲壓，ｐ是介質(zhì)的密度，ｃ是超聲在介質(zhì)中的速Ａ邋Ａ是振源的面積，ＡＷ是換能器投影到ＸＹ平面的寬度，Ａｈ是換能Ｙ平面的長度，Ａｗ可用公式２．３．４和公式２．３．５計(jì)算出來。逡逑ＡＷ邋＝邐ｊ＾Ｊ邐（１３４，邐Ｘｎ邋￣邋＾ＳＲ逡逑ｙ邐（２．３．５Ｘｎ．ｙｎ）是振源中心在ＸＹ平面上的坐標(biāo)，Ｗ是換能器的寬度，ｈ足換能是凹球面的曲率半徑。公式組２．３．６用來計(jì)算這些參數(shù)，其中Ｒ是觀測離，１是觀測點(diǎn)到振源投影的距離。逡逑

根據(jù)表３．３．１的水體仿真參數(shù)和Ｅｂｂｉｎｉ等提出的偽逆算法算出各個(gè)振元振動(dòng)逡逑驅(qū)動(dòng)向量Ｕ，再根據(jù)第２章中所提到的聲場強(qiáng)度計(jì)算公式（２．３．３）式求出ＸＹ焦平逡逑面和ＸＺ焦平面各點(diǎn)的聲壓分布，最后通過繪圖工具畫出圖３．３．２ＸＹ焦平面（左）逡逑和ＸＺ焦平面（右）各點(diǎn)的聲壓分布。凹球面陣列換能器的示意圖如圖２．３．１所示，逡逑可以看到凹球面陣元的排列和陣元發(fā)射超聲波的方向，本文取聲波沿Ｘ軸方向的歸逡逑一化聲壓分布圖和Ｚ軸方向的歸一化聲壓分布圖。聲強(qiáng)分布使用歸一化的效果如圖逡逑３．３．３和如圖３．３．４所示。而圖３．３．３代表ＸＹ焦平面以最高點(diǎn)為對稱中心沿Ｘ軸方逡逑向聲壓歸一化分布圖，得到短軸半徑0．７ｍｍ；圖３．３．４代表ＸＺ焦平面以最高點(diǎn)為對逡逑稱中心沿Ｚ軸方向的歸一化聲壓分布圖，得到長軸半徑（說明：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以逡逑最大聲壓下降６ｄＢ定義焦域大小，課題中針對凹球面多陣元呈對稱關(guān)系，和超聲波逡逑傳播的性質(zhì)，我們仿真只需畫出ＸＹ焦平面和ＸＺ焦平面，分析沿聲軸方向的聲壓逡逑分布圖和垂直聲軸方向的聲壓分布圖就可以得出該探針引導(dǎo)式相控陣超聲聚焦的逡逑ＭＡＴＬＡＢ仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)是否一致。歸一化的原因：仿真和測試的聲強(qiáng)單位不逡逑一樣，所以都將聲強(qiáng)歸一化，方便分析和對比。）逡逑

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本文編號：2713321