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(duì)位于生物組織內(nèi)部的共焦區(qū)組織施加低頻的振動(dòng)輻射力.共焦區(qū)組織在振動(dòng)輻射力的作用下沿入射波的聲軸來(lái)回振動(dòng),向周圍發(fā)射低頻波信號(hào),這就是超聲激發(fā)聲發(fā)射(USAE)信號(hào).研究表明,該信號(hào)中同時(shí)包含了共焦區(qū)組織的聲衰減和彈性信息,對(duì)研究生物組織的病理變化具有重要意義.當(dāng)兩束入射波功率較低時(shí),通過(guò)用共焦超聲束對(duì)組織進(jìn)行逐點(diǎn)掃描,并將由低頻水聽(tīng)器檢測(cè)到的USAE信號(hào)用于逐點(diǎn)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(dòng)聲圖像,這種成像方法或技術(shù)稱為振動(dòng)聲成像.當(dāng)兩束入射波以較高功率發(fā)射時(shí),共焦換能器則工作在雙頻HIFU模式.由于USAE信號(hào)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(duì)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(duì)生物組織中超聲激發(fā)聲發(fā)射 (USAE)、超聲激發(fā)振動(dòng)聲成像(USVA)以及雙頻HIFU進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面的研究.主要研究?jī)?nèi)容包括三部分: 1.

3、在詳細(xì)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(dòng)球模型來(lái)描述USAE的聲場(chǎng)發(fā)射規(guī)律,并用該模型的理論分析結(jié)果,詳細(xì)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(duì)USAE信號(hào)的影響規(guī)律.分析結(jié)果與已報(bào)道的離體組織實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算機(jī)仿真研究結(jié)果相符,證明了該模型的合理性,對(duì)進(jìn)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(xì)介紹振動(dòng)聲成像技術(shù)原理的基礎(chǔ)上,

4、對(duì)成像技術(shù)中最關(guān)鍵的指標(biāo)之一-分辨力進(jìn)行了深入的研究.通過(guò)引入點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)PSF和自行定義軸向響應(yīng)函數(shù).ARF,首次對(duì)基于典型雙頻共焦換能器的振動(dòng)聲成像的側(cè)向分辨力和軸向分辨力進(jìn)行了細(xì)致而全面的分析.該分析結(jié)果對(duì)合理設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室聲場(chǎng)分析測(cè)量先進(jìn)技術(shù)和現(xiàn)有的設(shè)備條件,構(gòu)建了振動(dòng)聲成像實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)(類似的系統(tǒng)國(guó)內(nèi)未見(jiàn)報(bào)道),并進(jìn)行了仿體組織內(nèi)彈性物體的振動(dòng)聲成像實(shí)驗(yàn),成功地獲

5、得了較清晰的振動(dòng)聲圖像.該實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)包括四個(gè)組成部分:高頻信號(hào)產(chǎn)生部分、雙頻超聲波發(fā)射及傳播部分、低頻信號(hào)處理部分和計(jì)算機(jī)控制及處理部分.其中需要自行實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)有兩個(gè):一個(gè)是性能良好的雙頻共焦超聲換能器的設(shè)計(jì)；二是計(jì)算機(jī)自動(dòng)掃描成像功能的實(shí)現(xiàn).文中詳細(xì)介紹了共焦換能器的設(shè)計(jì)方法和制作過(guò)程,并對(duì)自制的多種共焦換能器進(jìn)行了性能測(cè)試和比較；對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(xì)的介紹. 3.在詳細(xì)介紹HIF

6、U治療腫瘤的兩種主要機(jī)制(熱機(jī)制和空化機(jī)制)的基礎(chǔ)上,針對(duì)常規(guī)單頻HIFU在應(yīng)用中普遍存在的低效率問(wèn)題,首次提出了雙頻HIFU的概念,并進(jìn)行了探索性研究,取得了初步的研究成果.在對(duì)自制的小型雙頻HIFU換能器進(jìn)行功率測(cè)量和標(biāo)定的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了一系列離體組織實(shí)驗(yàn)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(duì)焦斑內(nèi)的組織細(xì)胞損傷也比單頻時(shí)嚴(yán)重.同時(shí)還對(duì)差頻選取和離體組織內(nèi)殘留氣體