聚焦超聲對(duì)生物媒質(zhì)加熱的理論問(wèn)題研究.pdf

1、超聲尤其是聚焦超聲在媒質(zhì)中產(chǎn)生的生物效應(yīng)已越來(lái)越被人們所關(guān)注，其中一個(gè)重要應(yīng)用就是利用聚焦超聲在生物媒質(zhì)中產(chǎn)生的熱效應(yīng)進(jìn)行各種腫瘤治療。超聲腫瘤治療的主要特征是非侵入性、微創(chuàng)性以及可控性，但超聲腫瘤治療過(guò)程中目前還面臨諸多困難和問(wèn)題。治療過(guò)程中焦域的遷移和形變，空化效應(yīng)所帶來(lái)的不可預(yù)測(cè)性損傷等，都是臨床上常見(jiàn)的現(xiàn)象，也是生物媒質(zhì)在聲作用過(guò)程中常見(jiàn)的非線性問(wèn)題；當(dāng)治療區(qū)改變時(shí)，存在聲場(chǎng)更新效率不高、用時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題；因生物媒質(zhì)固有的非線性特

2、性，導(dǎo)致熱療過(guò)程中的溫度控制常出現(xiàn)超調(diào)、振蕩等不穩(wěn)定的問(wèn)題。
　　 上述問(wèn)題可歸結(jié)為兩類(lèi)：一是超聲與媒質(zhì)作用過(guò)程中的一些現(xiàn)象及相應(yīng)的物理機(jī)制還有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解，另一個(gè)則是聚焦超聲場(chǎng)中有關(guān)聲聚焦控制方法及非線性條件下的溫度控制模式尚需改進(jìn)和提高。針對(duì)這些問(wèn)題，本文進(jìn)行了探索，主要做了如下一些方面的工作：
　　 第一，詳細(xì)地分析了超聲與媒質(zhì)作用過(guò)程中幾種常見(jiàn)的聲現(xiàn)象，著重研究了媒質(zhì)的非線性特性對(duì)聚焦超聲場(chǎng)分布的影響，揭示

3、了其對(duì)媒質(zhì)升溫的本質(zhì)。
　　 第二，通過(guò)對(duì)生物熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行Fourier積分變換，提出了一個(gè)較準(zhǔn)確的溫度空間狀態(tài)模型。該模型除包含現(xiàn)有模型中的熱傳導(dǎo)、對(duì)流及血流灌注外，還考慮了媒質(zhì)的非線性特性，從而為不同非線性聲場(chǎng)中的腫瘤加熱過(guò)程的溫度控制提供了一般性模型。
　　 第三，通過(guò)計(jì)算生物媒質(zhì)中線性和非線性條件下的聲場(chǎng)及其溫度分布隨時(shí)間的變化規(guī)律，提出了單輸入-單輸出溫度控制模式。運(yùn)用所提出的溫度時(shí)空狀態(tài)模型對(duì)目標(biāo)點(diǎn)溫度采用

4、了自適應(yīng)控制法，通過(guò)溫度反饋來(lái)控制換能器的聲功率輸出。對(duì)不同治療區(qū)域及不同血流灌注時(shí)的溫度控制過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明，在溫升階段沒(méi)有出現(xiàn)超調(diào)，達(dá)到期望的加熱溫度后也無(wú)振蕩現(xiàn)象。單點(diǎn)溫度控制模式使熱療控制系統(tǒng)得以較大簡(jiǎn)化，為目標(biāo)區(qū)準(zhǔn)確的溫度控制提供了保證，同時(shí)降低了治療系統(tǒng)成本。
　　 第四，基于偽逆算法，對(duì)被控目標(biāo)點(diǎn)的聲壓采用幅值和相位補(bǔ)償法，提出了一個(gè)直接的聲壓加權(quán)公式。應(yīng)用該公式，可對(duì)被控點(diǎn)聲壓預(yù)先設(shè)值，然后運(yùn)用偽逆矩

5、陣求得相控陣中各陣元的振幅和相位，從而獲得優(yōu)化的聲場(chǎng)分布；同時(shí)對(duì)原偽逆算法過(guò)程中的一些公式作了簡(jiǎn)化及重新定義，使得聲聚焦控制變得更為簡(jiǎn)單靈活，減少了計(jì)算用時(shí)，提高了聲場(chǎng)合成更新效率。
　　 第五，空化是聚焦超聲場(chǎng)中常見(jiàn)的現(xiàn)象，具有較大隨機(jī)性，在超聲加熱過(guò)程中對(duì)焦域的溫度影響很大，認(rèn)識(shí)超聲作用下聲空化發(fā)生的規(guī)律有著重要意義。本文借用膨脹比Rmax/R0這一物理概念，對(duì)各種聲作用條件下微泡發(fā)生的空化概率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，特別是對(duì)有殼微泡在

6、彈性媒質(zhì)中的非線性動(dòng)力學(xué)行為通過(guò)膨脹比與微泡初始半徑之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了描述。仿真表明，不同半徑的微泡在不同驅(qū)動(dòng)聲壓下均有一個(gè)各自的最大瞬態(tài)空化概率，而一定的驅(qū)動(dòng)聲壓下，只有半徑在一定范圍內(nèi)的微泡具有最大瞬態(tài)空化概率。
　　 第六，基于氣泡壓縮過(guò)程中的高溫高壓特性，提出了一個(gè)熱傳導(dǎo)-輻射氣泡動(dòng)力學(xué)模型。相同條件下，氣泡壓縮過(guò)程中泡內(nèi)的溫度比沒(méi)有考慮熱傳導(dǎo)-輻射時(shí)的溫度要低很多，氣泡壁越薄，兩者溫度差愈大；而氣泡膨脹階段，泡內(nèi)溫度