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《东北大学》 2017年
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基于凹型多阵元超声换能器的多点聚焦仿真研究

高孟娣  
【摘要】:医学超声具有非介入性、安全性、成本低和实时性等特点,广泛地运用于临床中的诸多领域,几乎涉及到了人体各种组织器官和医学分支。依托于超声波的基本物理特性和生物学效应,医学超声逐步实现成像诊断、神经调控、热消融等多种功能。超声神经调控和热消融运用属于治疗型超声,都是利用超声换能器的聚焦特性,通过控制超声换能器的激励信号,能够调节声场的聚焦效果。目前单点聚焦的研究比较成熟,但是单点聚焦存在焦点数目少、焦点区域面积小等缺陷。同时基于二维面阵的多点聚焦因其换能器形状的特点,限制了其在一些领域的运用,所以本文展开了基于凹型多阵元超声换能器的多点聚焦仿真研究并提出了相关运用。本文首先研究了实现凹型多阵元超声换能器多点聚焦的算法,包括伪逆算法,随机迭代算法和加权Gerchberg-Saxton算法,实现并比较了三种算法在形成多点聚焦时均匀性和有效性的区别。然后基于多点聚焦仿真实验的可行性,提出了两个具体的运用。第一,本研究提出了一个基于隐形眼镜状凹型多阵元超声换能器的超声视网膜假体的运用。仿真过程中,创新性地使用了凹型超声换能器,完全模拟隐形眼镜的外部性状和尺寸。该换能器能够很好地贴合眼球,利用眼球内体液,有效解决空气、换能器、组织之间的耦合问题。仿真实验中,通过调节凹型探头的中心频率等参数能够在视网膜深度上形成多点刺激。进一步地,通过调整探头各个阵元的激励,能够控制多个焦点能量的均衡性,同时也能增强多点的连续性。由于视网膜呈现出一定弧度,为了更贴近视网膜外部特征,实验还实现了在不同深度上形成多点刺激。第二,本研究基于实物高能量聚焦超声探头的参数,仿真实现了高强度聚焦超声多点聚焦的运用。多点同时聚焦增大了作用于靶组织的焦点区域面积,有效解决了单点聚焦模式下逐一扫描而带来的效率低的问题以及因单点作用范围小造成的靶区癌细胞残留的问题。总之,多点聚焦不仅缩短了治疗时间,也降低了残留癌细胞带来的肿瘤复发率,从而达到快速有效的治疗效果。仿真中模拟的能够在超声视网膜假体上形成多点刺激的换能器参数以及实现高强度聚焦超声多点刺激的换能器激励信号,能够为超声视网膜假体和高强度聚焦超声多点聚焦的实际运用提供意义重大的理论基础和参考价值。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R445.1;TB552

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