生物組織中的超聲激發(fā)聲發(fā)射（USAE）及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究.pdf

1、使用雙頻共焦超聲波可以對位于生物組織內(nèi)部的共焦區(qū)組織施加低頻的振動輻射力.共焦區(qū)組織在振動輻射力的作用下沿入射波的聲軸來回振動,向周圍發(fā)射低頻波信號,這就是超聲激發(fā)聲發(fā)射(USAE)信號.研究表明,該信號中同時包含了共焦區(qū)組織的聲衰減和彈性信息,對研究生物組織的病理變化具有重要意義.當兩束入射波功率較低時,通過用共焦超聲束對組織進行逐點掃描,并將由低頻水聽器檢測到的USAE信號用于逐點成像,即可獲得反映掃描區(qū)組織特性變化的圖像,這就是振

2、動聲圖像,這種成像方法或技術(shù)稱為振動聲成像.當兩束入射波以較高功率發(fā)射時,共焦換能器則工作在雙頻HIFU模式.由于USAE信號和兩束入射波非線性相互作用引起的差頻波的存在,使得雙頻HIFU 對共焦區(qū)組織的作用效果與常規(guī)單頻HIFU有很大不同. 本文以雙頻共焦超聲波為基礎(chǔ),對生物組織中超聲激發(fā)聲發(fā)射 (USAE)、超聲激發(fā)振動聲成像(USVA)以及雙頻HIFU進行了理論和實驗兩個方面的研究.主要研究內(nèi)容包括三部分: 1.

3、在詳細介紹輻射力的產(chǎn)生及USAE原理的基礎(chǔ)上,從理論上做了兩方面的研究.一是首次提出了用振動球模型來描述USAE的聲場發(fā)射規(guī)律,并用該模型的理論分析結(jié)果,詳細分析了組織的聲吸收系數(shù)、差頻的選取、組織彈性模量以及共焦區(qū)的尺度等四種重要參數(shù)對USAE信號的影響規(guī)律.分析結(jié)果與已報道的離體組織實驗結(jié)果和計算機仿真研究結(jié)果相符,證明了該模型的合理性,對進行生物組織中USAE方面的研究具有很好的參考作用.二是在詳細介紹振動聲成像技術(shù)原理的基礎(chǔ)上,

4、對成像技術(shù)中最關(guān)鍵的指標之一-分辨力進行了深入的研究.通過引入點擴展函數(shù)PSF和自行定義軸向響應(yīng)函數(shù).ARF,首次對基于典型雙頻共焦換能器的振動聲成像的側(cè)向分辨力和軸向分辨力進行了細致而全面的分析.該分析結(jié)果對合理設(shè)計雙頻共焦換能器以獲得更好的分辨力有重要指導(dǎo)意義. 2.利用本實驗室聲場分析測量先進技術(shù)和現(xiàn)有的設(shè)備條件,構(gòu)建了振動聲成像實驗研究系統(tǒng)(類似的系統(tǒng)國內(nèi)未見報道),并進行了仿體組織內(nèi)彈性物體的振動聲成像實驗,成功地獲

5、得了較清晰的振動聲圖像.該實驗研究系統(tǒng)包括四個組成部分:高頻信號產(chǎn)生部分、雙頻超聲波發(fā)射及傳播部分、低頻信號處理部分和計算機控制及處理部分.其中需要自行實現(xiàn)的核心技術(shù)有兩個:一個是性能良好的雙頻共焦超聲換能器的設(shè)計；二是計算機自動掃描成像功能的實現(xiàn).文中詳細介紹了共焦換能器的設(shè)計方法和制作過程,并對自制的多種共焦換能器進行了性能測試和比較；對計算機自動掃描成像系統(tǒng)的主要工作原理和基本功能也做了較詳細的介紹. 3.在詳細介紹HIF

6、U治療腫瘤的兩種主要機制(熱機制和空化機制)的基礎(chǔ)上,針對常規(guī)單頻HIFU在應(yīng)用中普遍存在的低效率問題,首次提出了雙頻HIFU的概念,并進行了探索性研究,取得了初步的研究成果.在對自制的小型雙頻HIFU換能器進行功率測量和標定的基礎(chǔ)上,進行了一系列離體組織實驗研究.初步的研究結(jié)果表明,在相同的照射條件下,雙頻HIFU在組織內(nèi)部產(chǎn)生的焦斑明顯比單頻HIFU的大,并且對焦斑內(nèi)的組織細胞損傷也比單頻時嚴重.同時還對差頻選取和離體組織內(nèi)殘留氣體