聚焦超聲對生物媒質(zhì)加熱的理論問題研究.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)已越來越被人們所關(guān)注，其中一個重要應(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，但超聲腫瘤治療過程中目前還面臨諸多困難和問題。治療過程中焦域的遷移和形變，空化效應(yīng)所帶來的不可預(yù)測性損傷等，都是臨床上常見的現(xiàn)象，也是生物媒質(zhì)在聲作用過程中常見的非線性問題；當(dāng)治療區(qū)改變時，存在聲場更新效率不高、用時過長的問題；因生物媒質(zhì)固有的非線性特

2、性，導(dǎo)致熱療過程中的溫度控制常出現(xiàn)超調(diào)、振蕩等不穩(wěn)定的問題。
　　 上述問題可歸結(jié)為兩類：一是超聲與媒質(zhì)作用過程中的一些現(xiàn)象及相應(yīng)的物理機(jī)制還有待進(jìn)一步認(rèn)識和理解，另一個則是聚焦超聲場中有關(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。針對這些問題，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)作用過程中幾種常見的聲現(xiàn)象，著重研究了媒質(zhì)的非線性特性對聚焦超聲場分布的影響，揭示

3、了其對媒質(zhì)升溫的本質(zhì)。
　　 第二，通過對生物熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行Fourier積分變換，提出了一個較準(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中的腫瘤加熱過程的溫度控制提供了一般性模型。
　　 第三，通過計算生物媒質(zhì)中線性和非線性條件下的聲場及其溫度分布隨時間的變化規(guī)律，提出了單輸入-單輸出溫度控制模式。運(yùn)用所提出的溫度時空狀態(tài)模型對目標(biāo)點溫度采用

4、了自適應(yīng)控制法，通過溫度反饋來控制換能器的聲功率輸出。對不同治療區(qū)域及不同血流灌注時的溫度控制過程進(jìn)行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明，在溫升階段沒有出現(xiàn)超調(diào)，達(dá)到期望的加熱溫度后也無振蕩現(xiàn)象。單點溫度控制模式使熱療控制系統(tǒng)得以較大簡化，為目標(biāo)區(qū)準(zhǔn)確的溫度控制提供了保證，同時降低了治療系統(tǒng)成本。
　　 第四，基于偽逆算法，對被控目標(biāo)點的聲壓采用幅值和相位補(bǔ)償法，提出了一個直接的聲壓加權(quán)公式。應(yīng)用該公式，可對被控點聲壓預(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)化的聲場分布；同時對原偽逆算法過程中的一些公式作了簡化及重新定義，使得聲聚焦控制變得更為簡單靈活，減少了計算用時，提高了聲場合成更新效率。
　　 第五，空化是聚焦超聲場中常見的現(xiàn)象，具有較大隨機(jī)性，在超聲加熱過程中對焦域的溫度影響很大，認(rèn)識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，特別是對有殼微泡在

6、彈性媒質(zhì)中的非線性動力學(xué)行為通過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)動聲壓下均有一個各自的最大瞬態(tài)空化概率，而一定的驅(qū)動聲壓下，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，基于氣泡壓縮過程中的高溫高壓特性，提出了一個熱傳導(dǎo)-輻射氣泡動力學(xué)模型。相同條件下，氣泡壓縮過程中泡內(nèi)的溫度比沒有考慮熱傳導(dǎo)-輻射時的溫度要低很多，氣泡壁越薄，兩者溫度差愈大；而氣泡膨脹階段，泡內(nèi)溫度