高強度聚焦超聲(HIFU)治療是近年來興起的一種新型腫瘤治療技術(shù),具有無損、局部綠色以及臨床應(yīng)用潛力大等優(yōu)點。HIFU信號在人體組織傳播過程中,由于器官組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,諸多被激勵出的波形成分在組織內(nèi)部經(jīng)過反射、透射、折射以及散射和吸收衰減,信號的幅值、能量、頻率、相位、傳播速度等隨溫度發(fā)生相應(yīng)的改變,組織的某些聲學特征參數(shù)呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化從而反映出生物組織的微觀結(jié)構(gòu)特性以反饋治療效果。本文基于超聲傳輸原理和信號處理的相關(guān)方法,探討了組織聲學特征參數(shù)(聲衰減和聲阻抗)的測量及相關(guān)性質(zhì),主要內(nèi)容有:1.超聲傳輸原理闡述和實驗系統(tǒng)的搭建。介紹了生物組織中聲波傳播理論,分別搭建了HIFU實驗系統(tǒng)和恒溫水浴實驗系統(tǒng),選取離體豬肉組織作為實驗對象,利用上述實驗系統(tǒng)獲取實驗數(shù)據(jù),研究了超聲回波信號截取濾波等預(yù)處理并分析其效果。2.衰減系數(shù)的測量與研究。提出了利用品質(zhì)因子加權(quán)反演衰減系數(shù)的方法,通過信號中心頻率提取品質(zhì)因子,并比較不采用分頻算法和分別采用ITD及EMD分頻算法確定中心頻率對衰減系數(shù)測量精度的影響。仿真結(jié)果顯示采用分頻算法求取各層中心頻率后提取的品質(zhì)因子反演得到的聲衰減系數(shù)誤差明顯比不采用分頻算法低,且經(jīng)過EMD方法得到的結(jié)果優(yōu)于ITD方法。通過對HIFU實驗中組織的聲衰減系數(shù)進行研究,發(fā)現(xiàn)聲衰減系數(shù)總體趨勢上與頻率近似呈線性關(guān)系,且隨著溫度升高,衰減系數(shù)呈平方遞增趨勢。3.聲阻抗的測量與研究。根據(jù)超聲傳輸原理,建立了離體豬肉組織模型,推導(dǎo)出聲阻抗與回波能量的數(shù)學關(guān)系應(yīng)用于HIFU治療區(qū)域聲阻抗的測量,并利用水浴系統(tǒng)設(shè)計對比實驗進行驗證分析。結(jié)果表明兩種方法測量的聲阻抗相對誤差控制在0.5%以內(nèi),且二者隨溫度變化趨勢均呈現(xiàn)出良好的一致性,也證明本文提出的回波能量法能有效測量HIFU治療區(qū)組織聲阻抗。
【學位單位】：湖南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：R730.5;TB559
【部分圖文】：

2.1 超聲波傳輸?shù)幕驹?.1.1 媒質(zhì)中聲波方程理論假設(shè)在聲場中取一足夠小的體積元，如圖2.1所示，其體積為Sdx（S 為體積元的垂直于x方向的側(cè)面的面積），當體積元受到聲擾動時受到的壓強由0P 變?yōu)?P，則產(chǎn)生的逾量壓強10p P P定義為聲壓。由于聲壓 p 隨位置而異，因此作用在體積元兩側(cè)上的力是不相等的，其合力就導(dǎo)致這個體積元的質(zhì)點沿x方向的運動。圖2.1 聲場中體積元示意圖當有聲波經(jīng)過時，體積元左側(cè)的壓強為 P p0，則作用在體積元該側(cè)的力為

碩士學位論文12圖2.2 平面波垂直入射情況如果一系列聲壓為j( tkx)iiappe 的平面波從媒質(zhì)Ⅰ垂直入射到分界面上，由于分界面兩側(cè)媒質(zhì)的聲阻抗不一樣，會有聲波一部分反射回去，另一部分透射進入媒質(zhì)Ⅱ中[52-53]。求解媒質(zhì)中一維聲波方程可得聲壓1p 為()()111jtkxjtkxpAeBe （2-16）式中第一項代表沿x方向前進的波，也就是原來的入射波ip ，常數(shù) A為入射波的幅值iap ；第二項代表沿x負方向行進的波，其中常數(shù)B 為反射波的幅值rap ，入射波遇到分界面后再反射回媒質(zhì)Ⅰ中的反射波記為rp ，即有()1jtkxrrappe

碩士學位論文14圖2.3 平面波斜入射情況當入射超聲波從左邊與界面法線方向成i 角方向右面的另一介質(zhì)傳射入，根據(jù)斯奈爾聲波反射定律[54]，反射角等于入射角，即ri ，折射角滿足1221sinsincckkit ，則入射、反射與透射波可表示為 (coscos)(coscos)(coscos)221111itrriijtkxkxttajtkxkxrrajtkxkxiiappeppeppe （2-21）同理，根據(jù)聲壓反射系數(shù)與聲壓透射系數(shù)的定義,并結(jié)合固定介質(zhì)的連續(xù)性邊界條件可以得出反射波聲壓與入射波聲壓之比pr ，透射波聲壓與入射波聲壓之比pt 為： iiiitipiiiiititpmnmccctmnmnccccr 22221122222222112211cossin2coscoscos2coscossincossincoscoscoscos（2-22）式中12 m 為密度比，2112cckkn 為媒質(zhì)Ⅱ?qū)γ劫|(zhì)Ⅰ的折射率。2.2 實驗方法與
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本文編號：2865883