经颅hifu激励信号的调控及其形成温度场的数值仿真研究

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1、分类号：R318.5学校代码：10062密级：学号：2012602138硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目：经颅HIFU激励信号的调控及其形成温度场的数值仿真研究TITLE：NumericalSimulationofTemperatureFieldFocusedbyTranscranialHIFUandModulationofDrivingSignalsofTransducerArray一级学科：生物医学工程二级学科：论文作者：丁鑫指导教师：菅喜岐天津医科大学研究生院二〇一五年五月分类号：R318.5学校代码：10062密级：学号：2012602138学位类别

2、：科学学位专业学位学科门类：工学硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目：经颅HIFU激励信号的调控及其形成温度场的数值仿真研究TITLE：NumericalSimulationofTemperatureFieldFocusedbyTranscranialHIFUandModulationofDrivingSignalsofTransducerArray一级学科：生物医学工程二级学科：论文作者：丁鑫指导教师：菅喜岐天津医科大学研究生院二〇一五年五月学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下独立进行研究工作取得的研究成果。除了文中特别加以标注

3、引用的内容和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津医科大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文，并编入有关数据库。保密，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。（请在相对应的方框内打“√”）学位论文作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日中文摘

4、要高强度聚焦超声(HighIntensityFocusedUltrasound，HIFU)技术已被应用于临床治疗实体性肝肿瘤、子宫肌瘤等，因其具有的非侵入性和可重复治疗性被引入经颅脑肿瘤治疗和经颅药物传递等。由于颅内靶区被颅骨包围，颅骨与脑组织的声学参数存在巨大差异，使经颅传播的声波发生相位和幅值畸变，导致经颅骨声波偏离设定焦点聚焦、对颅骨及周边组织可能造成热损伤等问题的发生。研究精确有效的经颅聚焦方法和降低对颅骨及周边组织热损伤的方法非常必要。研究目的由于HIFU经非均质颅骨传播时发生相位失真、幅值畸变导致经颅HIFU声波在颅内设定焦点处不能聚焦，对颅骨及其周边组织造成热损伤。本文通

5、过对相控换能器阵元激励信号相位、幅值及消除颅骨内高声压的信号相位和幅值的调控，调控经颅聚焦形成的声场及温度场，实现颅骨及周边组织无伤的HIFU经颅内高效精确聚焦，为经颅HIFU应用于临床治疗提供理论参考。研究方法本研究以人体头颅CT扫描数据的重建图像为基础，结合小开口64阵元球冠状相控换能器，建立三维HIFU经颅数值仿真模型，以时域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomain，FDTD)数值解析Westervelt非线性声波传播方程和Pennes生物热传导方程，分析HIFU经颅后形成的声场及温度场分布。应用基于时间反转的相位和幅值调制法获得相控换能器阵元的激励信号，

6、根据这些激励信号形成的声场及温度场，分析与讨论不同阵元激励信号对其形成声场及温度场的影响及调控作用；利用温度阈值和热剂量法分析对正常组织可能存在的伤害和靶区内形成的治疗焦域体积；在对正常组织无伤害的前提下分析相控换能器可实现的调控区域，并对形成的可治疗焦域体积进行调控。研究结果1.调控换能器阵元激励信号对经颅声波进行相位校正聚焦时，形成焦点在设定位置处，但颅骨内可能存在高声压，颅骨处高声压与焦点声压比值（骨焦比）较大；再结合幅值校正后，焦点处声压较仅作相位校正时的声压有所升高，I颅骨内声压略有降低，骨焦比略降低；采用相位校正结合降低颅骨内高声压后，骨焦比降低，颅骨内高声压降低，但焦点处

7、声压也降低；采用相位及幅值校正结合降低颅骨内高声压调控法后，骨焦比和颅骨内高声压继续降低，焦点处声压相对于相位校正后的无变化。2.声轴上聚焦时，采用幅值校正后，焦点声压和可治疗焦域体积比不做幅值校正时均有增大。3.基于时间反转的数值拟合法与互相关法获得的调控阵元激励信号的相位信息，都可用于经颅声场的相位校正。4.对相控换能器不同环上阵元激励信号进行相位和幅值调制，以调制换能器外环阵元信号的幅值作用较佳，这种调节模式既可使焦点达到可治疗的温度，也