（生物医学工程专业论文）生物医学超声中若干非线性问题的研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h e o r ya n da p p l i c a t i o no f b i o m e d i c a lu l t r a s o u n d ，t h es t u d yo f n o n l i n e a rp h e n o m e n a i so n eo ft h eh i g h l i g h t sa n dd i f f i c u l t i e sd u r i n gt h el a s ts e v e r a ly e a r s b e t t e rr e s o l u t i o na n d c o n t r a s tc a l lb eo b t a i n e db ye m p l o y i n gn o n l i n e a r p r i n c i p l e s i nu l t r a s o n i c i m a g i n g u l t r a s o u n di m a g e sw i t hh i g h e rq u a l i t yt h e nc a nb ec o n s u u c t e dt od e s c r i b et h ei m a g i n g o b j e c t sm o r ec l e a r l ya n dt r u l y i th a ss h o w nu sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e sa n d 勰a t t r a c t i v e f u t u r e a i lr e s e a r c hw o r ki n t r o d u c e di nt h i st h e s i sf o l l o w st h er i g o r o u s 、f e a s i b l ea n de f f e c t i v e p r i n c i p l e ，a n do f f e r ss y s t e m a t i ct h e o r y ，m o d e l i n g 、n u m e r i c a lc o m p u t a t i o na n ds i m u l a t i o n m e t h o d si ns o l v i n gs o m ei m p o r t a n tp r o b l e m si nt h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no f n o n l i n e a r u l t e a s o u n d t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sp r e s e n t e di nt h i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o nh a s f o l l o w i n gf e a t u r e s ： 1 an e wm e t h o db a s e do nt h ef o u r i e r - b e s s e ls e r i e si sp r o p o s e dt oc a l c u l a t et h e h i g h e r - o r d e rh a r m o n i cc o m p o n e n t so fan o n l i n e a ru l t r a s o u n df i e i di na b s o r b i n gm e d i u m a n da na n a l y t i c a ls o l u t i o no fas e r i e sf o r mi so b t a i n e d ac l o s e da n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h e h l g h e r - o r d e rh a r m o n i c si nt h ez 譬r o t h - o r d e rb e s s e lu l t r a s o u n df i e l da n dt h ef o c u s e d g a u s s i a nu l t r a s o u n df i e l di sd e d u c e dt os t u d yt h ef i e l dp r o p e r t y , e s p e c i a l l yt h en e a r - f i e l d p r o p e r t y 2 t h ef u n d a m e n t a la n dh i g h e r - o r d e rh a r m o n i cu l t r a s o u n df i e l d so faz e r o t h - o r d e r b e s s e lu l t r a s o u n df i e l da n df o c u s e dg a u s s i a nf i e l di na b s o r b i n gm e d i u ma r ec o m p u t e da n d s i m u l m e db ys o l v i n gt h ek z k e q u a t i o nu s i n gaf r e q u e n c yd o m a i nf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 1 1 1 ec o m p u t a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e dt h et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n 3 a p r e l i m i n a r ys t u d yo f t h eh a r m o n i ci m a g i n gt h e o r ya n dm o d e li si n t r o d u c e d ，a n d as i m p l ec o m p u t a t i o nm o d e lf r a m ei sp r o p o s e d n i i sr e s e a r c hi ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n ap r o j e c t “s t u d yo nh i g hr e s o l u t i o na n dh i g hf r a m er a t en l t m s o n i ci m a g i n gs y s t e m ”( n o 6 0 4 7 1 0 5 7 ) a n dt h ey o u t hf o u n d a t i o no f t h eu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c h i n a s t u d yo f t h ep r o p e r t yo fn o n l i n e a rn o n - d i f f r a c t i o nb e a ma n di t sa p p l i c a t i o ni nm e d i c a lu l t r a s o u n d ” ( n o k a 2 1 0 0 2 3 0 0 0 1 ) k e y w o r d s ：u l t r a s o u n d ；n o n l i n e a ru l t r a s o u n df i e l d ；k z ke q u a t i o n ；f o u r i e r - b e s s e ls e r i e s ； b c s s e lu l t r a s o u n df i e l d ；f o c u s e dg a u s s i a nu l t r a s o u n d f i e l d ；f r e q u e n c yd o m a i nf i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ；h a r m o n i ci m a g i n g h 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人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贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 缈7 年r 月孑日 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 生物医学超声的发展历史和方向 生物医学超声是生物学、医学、声学和工程技术等学科相结合的产物。其理论基础 是声学特别是超声学原理；其实现手段是现代工程技术尤其是电子、计算机和信息技术； 其应用领域是生物与医学领域i i 】。 生物医学超声主要包括超声诊断和超声治疗等两方面的内容。从物理的角度看，超 声波既是一种信息载体，又是一种能量形式。超声诊断是以安全范围内的超声波作为信 息载体，利用各种组织声学特性的差异来区分不同组织，特别是区分正常组织和病变组 织。由于具有不同理化特性的生物组织器官对外来的超声波会产生反射、透射、折射、 散射、衰减、非线性等效应，运动的组织还会产生d o p p l e r 效应。因此通过提取、分析、 处理经组织作用后的超声波中携带的丰富信息，并以图像等形式直观地显示出来，便可 以反映组织特性，进而达到诊断的目的。超声诊断主要有医学超声成像、超声c t 、超声 全息与超声显微镜、超声组织定征和超声流速测定等分支。超声治疗则是采用一定剂量 的超声波作用于人体，利用产生的生物效应来治疗某些疾病。超声波与人体组织相互作 用的机制有如- f - - 种【2 j ：( 1 ) 力学( 机械) 机制，如超声理疗中的微按摩( 基于振动位移) ， 超声外科中的组织切割( 基于振动加速度) 。( 2 ) 热学机制，如超声治疗肿瘤的温热疗法 和高强度聚焦超声( i - i u ) 无创外科对肿瘤的瞬时高热“切除”。d ) 空化( c a v i t a t i o n ) 机制等。超声治疗主要有超声理疗、超声热疗、超声手术、超声碎石等分支。 超声技术渗透到医学、生物学领域始于2 0 世纪3 0 到4 0 年代。1 9 4 9 年澳大利亚学 者d u s s i kk 工发表了将脉冲超声波成功地用于诊断脑部疾病的论文，这是最初的a 型 超声诊断技术。自此以后，生物医学超声技术开始进入试验、研究、开发、应用的阶段。 从7 0 年代起，由于计算机技术、微电子技术及其它高技术引入生物医学超声领域，使得 一些原先仅仅是理论研究或处于试验阶段的科研成果相继成为产品，进入了临床应用。 尤其是b 型超声成像技术的产生和发展，使超声诊断与x 射线诊断、同位素辐射诊断并 列为医学领域的三大影像诊断技术。超声诊断技术特别因为其检测方法具有方便、实时、 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 无创、无损等优点而被广泛应用。 以下分别介绍生物医学超声的一些主要研究方向。 1 1 2 生物医学超声成像 超声成像是生物医学超声技术中最为重要的内容，其原理是把兆赫级脉冲超声波辐 照于人体，脉冲超声波在人体内传播过程中遇到声阻抗变化的界面或散射物时发生反射 或散射，利用换能器接收到的回波形成图像。 超声成像系统中采用精确的电子电路来变换超声信号，控制声柬传播的方向，从而 获得反射界面的二维或三维图像信息。这些图像信息被存储起来，经过处理后被读出到 显示器上呈现一幅超声图像。目前应用最为广泛、技术最成熟的是b 型超声成像。图1 1 】 和图1 1 2 是最常用的扇形扫描b 型超声成像示意图和一幅典型的b 超图像。 传统的超声成像受其工作模式和成像理论的限制，主要存在以下问题：( 1 ) 帧率 ( f r a m er a t e ，又称帧频) 低。当前的超声成像系统成像速度约为3 0 帧秒，导致时间分 辨率不够高，这对运动器官( 如心脏) 的实时诊断存在不利的影响；( 2 ) 空间分辨率低。 当前的超声成像系统多采用基波成像原理，空间分辨率为毫米( n u n ) 量级，难以区分距 离更近的成像目标；( 3 ) 图像质量不够好。超声成像是从大量背景噪声中提取有用的信息， 受噪声干扰严重，因此图像清晰度，对比度不是很好。在实际应用中，帧率、空间分辨 率、探查深度等指标往往相互制约。例如，通过动态聚焦可以在整个成像区域内获得比 较高的空间分辨率，但是大大降低了成像帧率。通过提高发射频率可以提高空间分辨率， 但是高频信号衰减剧烈，导致探查深度不够。如何协调、有效地解决以上问题，获得高 性能的超声成像系统对于临床诊断具有非常重要的意义。 长期以来，对于先进超声诊断技术的研究一直备受关注。近年来，医学超声成像系 统向更高层次发展，其目标主要是1 3 1 ：( 1 ) 利用更多的声学参数作为载体，以获取体内更 多的生理、病理信息；( 2 ) 提高图像质理，使图形清晰；( 3 ) 显示更为细微的组织结构；( 4 ) 提高成像速度，实现商速实时动态成像。近l o 年来，随着计算机、信息技术、电子技术、 压电陶瓷等高科技的迅速发展和临床诊断和治疗的需求，使图像质量和分辨率越来越高， 超声诊断范围和信息量不断扩充。当前超声诊断已从单一器官扩大到全身，从静态到动 态，从定性到定量，从模拟到全数字化，从单参数到多参数，从二维n - - 维显示，d o p p l e r 彩色血流显示代替了创伤性导管检查，大大扩充了超声诊断治疗范围，提高了诊断的准 2 中国科学技术大学博 学位论文第一章绪论 确性和信息量。由于其损伤性小，电离辐射轻，价格低廉，易被患者所接受，己成为发 展最快的成像技术之一。 t y p i c a l u l t r a s o n i cb e m p o s i t l 0 n d i s p l a y t y p j c a l b r i g h t n e s s - m o d u l a t e d t m e b a s el i n e 图1 1 1 扇形扫描b 型超声成像示意图 图1 1 | 2 肾脏的b 超图像 目前对医学超声成像新技术的研究主要集中在在以下几个方耐”i 。 一、谐波成像( h a r m o n i ci m a g i n g ，h i ) 谐波成像的提出在1 9 9 7 年i s l , 其原理是利用回波信号的高次谐波成分进行图像重建。 此种成像方式的波束和基频波束比较，主瓣更窄，旁瓣更低，因此可以获得更商的分辨 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 率和对比度，同时能在基频范围内消除引起噪音的低频成分，从而使组织器官的边缘更 清晰。目前谐波成像分为以下两种；( 1 ) 组织谐波成像( t m s u eh a r m o m ci m a g i n g ，t h i ) ， 即利用由人体组织本身的声学非线性特性产生的高次谐波进行成像；( 2 ) 对比谐波成像 ( c o n t r a s th a r m o n i ci m a g i n g ，c m ) ，即利用对比剂( c 0 曲= a s c a g a 【吐，又称造影剂) 的非 线性振动产生的高次谐波进行成像。m 便于无回声组织( 如心脏、胆囊) 的成像，减小 由皮下脂肪层、肋骨狭窄造成的伪像，但距离方向分辨能力稍差一些。 的出现不到十 年时间。尚处在初步应用阶段，随着研究的深入、经验的不断积累和定量化方法的引入， 该技术会不断成熟，在超声诊断仪中发挥更大作用。目前已商品化的谐波成像是利用二 次谐波成像，比如p 1 1 i l i p s 公司生产的h d i - 5 0 0 0 就支持这项技术。 二、彩色多普勒血流成像( c o l o rd o p p l e rn 唧, c d f ) 彩色d o p p i c r 血流成像是一种能同时显示b 型图像和d o p p l e r 血流数据( 血流方向、 流速、流速分散) 的双重超声扫描系统，它对采样容积内d o 耐c r 血流信号的血流方向、 流速、流速分散进行采样并将它们彩色编码后给以显示。图1 1 3 是一幅d 1 0 p p l 盯血流成 像图。c d f 是心血管疾病诊断的重要手段，但是它对电路要求严格。1 9 8 2 年美国的b 0 r n n e r 和日本的n a m e k a w a 、k a s a i 最先研制成功了该技术。同一年，第一台彩色d o p p l e r 血流 显像仪在日本问世。随后，人们对c d f 进行了大量研究，出现了c d e 、d c a 、d r r i 和 c 等一系列血流成像模式。其中，美国g l 羽【0 w 的专利技术能得到更好的血管及血流 图像的空间分辨率和时间分辨率，能更清晰地看到血流的运动和血管壁的不规则运动， 是超声技术的新突破。 三、 三维成像 1 9 6 1 年b a u n 和g r e e w o o d 提出了三维成像的概念【9 l 。三维成像包括静态立体三维成 像和动态三维成像。三维成像的临床优势在于：对病变部位的形态、范围和表面轮廓进 行全方位的观察；帮助判断胎儿肢体及缺陷；帮助了解脏器内血管分支、畸形、血栓隋 况；多方位、多层次观察脏器立体解剖关系，作为手术方案的辅助手段。三维成像的关 键问题：三维重建与显示方式的算法、精确而方便使用的定位系统。目前，三维超声成 像技术主要应用在心脏、胎儿形体检查及血管内三维重建，这些都是生物医学超声界研 究的热点。关于三维超声成像的具体方法和特点可以参考i t 0 ：。 4 中国科学技术大学博t 学位论文第一章绪论 四、 全数字化技术 图1 1 3 肾脏横断面的d 唧p l 目血流成像图 全数字化技术旨在提高超声图像质量，同时改善系统的可靠性和稳定性。其核心是 用计算机控制的数字波束形成器、高速a d 转换器及高速数字信号处理技术。如图1 1 4 所示，它包含三个重要方面：( 1 ) 宽频带探头。不仅能解决分辨力和穿透力的矛盾，而且 信息量丰富，有可能获取完整的组织结构反射的宽频信号。( 2 ) 前端a d 转换技术。前 端数字化后，数字波束形成就可采用比模拟延时线精度更高的数字延时方法，并可在发 射和接收的过程中对波束作变迹和综合孔径处理，这样就能使系统分辨率得以改善，动 态范围得以增加，随机噪声得到降f 氐。( 3 ) 数字化波束形成技术。能实现像素聚焦，获锝 失真度很小的超声图像。 d i g i t a l 妻a d1 j vm c e 矧叼w 陆- a n a i o g 妻呲m c e 蚓n 。扩a d m 嘶。 图1 1 4 数字化和模拟超声成像系统比较 中国科学技术太学博士学位论文第一章绪论 真正的数字化超声诊断仪从波束形成到信号转化的全过程均采用数字化处理，其图 像分辨率要比通道数相同的模拟式超声诊断仪高出2 倍以上。在数字化超声诊断仪的研 制方面，美国a t l 公司走在了世界的前列，他们于1 9 8 7 年研制出了世界上第一台前端 全数字化超声诊断仪，第二年又成功生产出了全数字化超声诊断设备一u l n a m a r k 9 。 而将超声的数字化进一步前推到波束形成的则是美国g e 公司，他们在2 0 0 0 年将数字编 码技术应用于超声脉冲的编码和解码，这一处理放大了有用的微弱信号，抑制了不需要 的回波信号，多方面改善了图像的质量。总之，全数字化技术保证了超声诊断设备图像 更清晰、更准确，分辨率更高，大大提高了超声诊断的准确率，直接决定着超声诊断设 备的整体质量。 五、新型探头技术 超声探头的发展趋势集中在高密度、小曲率、高频、宽频带、二维等方向。如t o r o n t o 大学临床研究中心的几种高频超声探头及2 0 0 m h z 的皮肤成像系统，o l , 】k = e 大学首次研制 出实时2 d 探头。各种稀疏孔径探头也相继研制成功，如c o o l e y 和r o b i n s o n 首次使用的 稀疏合成发射孔径，l o c k w o o d 和f o s t e r 提出的所谓的“v e r n i e r ”阵列以及阵元随机分布 的探头。这些探头的出现不但加速了成像速度，而且改善了成像质量。在这当中，d u k e 大学s t e p h e ns m i t h 和o l a f v o n r a m m 领导的研究小组作出了大量实质性的工作。 六、当前国际上几种先进的超声诊断设备 l o g i q 5 0 0p r o ：g e 公司推出的新一代高档超声诊断仪，其特点是：具有双数字波 束形成器、微米成像技术( o 3 m m 清晰度) 、最大血流分辨率和d i c o m 3 0 网络结构，能 在整个诊断过程提供稳定和高质量的图像。该系列诊断仪处于国际超声技术的前列，具 有许多先进能力，例如源面阵探头( l a 3 9 型宽频探头) 、3 d 显像、组织谐波成像和全新 的脉动血流图技术。 s e q u o i ac 2 5 6 ：a c u s o n 公司推出的高档彩色超声诊断仪，它采用了先进的超声影像 技术s e q u o i a ，该技术包括相干成像、扩展的d o p p l e r 技术、先进的换能器技术、高级的 d i m a q 集成超声工作组等四个方面的内容。 u l t r a m a t k9 ：美国a t l 公司生产的高档彩色超声诊断仪，具有实时二维显像、m 型 超声诊断、彩色d o p p l e r 血流成像功能，并能准确、方便地诊断i ) 脏、腹部、小器官等 6 中田科学技术大学博士学位论文第一章绪论 全身多个部位的多种疾病。 s o n o s7 5 0 0 - p h i l i p s 公司生产的高性能彩色超声诊断仪，它应用o m n i p l a r 把1 1 1t e e 换能器，能实现谐波成像、声波量化分析、彩色运动、反射应力定量分析和对比成像。 国内对超声成像系统的研究始于2 0 世纪5 0 年代，但到目前为止，仍处在从中低档 黑白b 超向高档黑白b 超发展的过程中。国内生产的中低档产品已达到了国外同类型产 品的水平，但高档产品与国外的差距还在拉大。国内从事超声成像仪生产的企业在增加， 但能自主开发批量生产的不多，大部分还是通过与国外企业合作或引进技术的方式来生 产高档超声诊断设备。 国内对超声成像的研究大多在高校进行，比如清华大学的超声血流、编码超声成像 系统、超声弹性成像；西安交通大学的三维超声成像、超声造影、弹性成像和生物组织 运动成像，全数字化超声设备研制；南京航空航天大学对合成孔径聚焦超声成像系统和 全数字式b 超的研究；哈尔滨工业大学对彩色超声成像系统、超声d o p p l e r 成像的研究； 上海交通大学对三维超声成像、超声血流成像的研究，他们还在超声换能器的研发方面 取得了较多的成果，比如开发了多元自聚焦超声换能器、多焦点多重聚焦超声换能器、 子午线分割线的多阵元聚焦超声换能器；复旦大学对超声血流速度检测的研究；东南大 学的数字超声波检测系统和超声波血流测量系统：中科院声学所研制的超声体模等。 生产能力较好的单位有：深圳的迈瑞公司在2 0 0 6 年成功推出中国第一台拥有完全自 主知识产权的全数字彩色多普勒超声诊断仪，其产品d c - 6 全数字超声诊断系统荣获德 国历史最悠久的工业设计机构汉诺威工业设计论坛f ：i n d u s t d ef o r u md e i g n ) 的腰大 奖( i fd e s i g n a w a r d ，c h i n a2 0 0 6 ) ；汕头超声仪器研究所掌握了从主机到探头的软硬件核 心技术，产品出口8 0 多个国家和地区，成为中国超声仪器在国际市场上竞争力强、出口 量大的主打产品，近几年推出了中高档超声显像诊断仪及全数字超声显像诊断仪：北京 的天惠华公司生产的t h 系列全数字超声诊断系统采用了先进的高精度数字化技术、专 业计算机平台，图像真实、细节丰富、功能强大、操作轻松，能够满足临床上不断提高 的诊断要求：上海麦迪逊公司生产的s a 9 9 0 0 是真正多用途的超声系统，增配了新型 c - s q u a r e 处理进程和p s a d 波束形成器，具有优质的2 d 和3 d 成像、强大的d o p p l e r 敏 感性和特殊的心脏成像功能。 7 中田科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 3 生物医学超声治疗 从超声医学的历史来看，超声治疗早于超声诊断一二十年，它出现于2 0 世纪3 0 年代， 开始于超声理疗。但在很长时间内发展缓慢。2 0 1 1 十纪s 0 年代以后，超声治疗的研究出现 了新的突破，诸如体外超声碎石、超声热疗法治癌、高频段高强度聚焦超声无创外科技 术等都有很大进展，目前正成为新的研究热点。 下面介绍超声治疗的几个主要研究方向【1 m 1 2 1 。 一、 超声理疗 在超声理疗中，通过超声治疗仪辐射超声波，经过声耦合剂进入人体，辐照腐变郎 位以达到治疗目的。在应用中根据病变部位的深浅选择超声频率，如果病变部位较深， 则频率较低，一般取8 0 0 k k ；如果病变部位较浅，则频率较高，最高可达3 姗z 。发射 的超声波又分为连续波( c w ，主要利用其热学机制) 和脉冲波( p w ，主要利用其力学 机制) 两种。目前超声理疗在临床上被广泛应用于内科、外科、神经科、皮肤科、五官 科、妇科等。近年来与我国传统医学相结合，研究发展出超声针刺治疗和穴位治疗等新 技术。 二、 超声雾化吸入和药物透入疗法 超声雾化吸入法是通过超声的空化等作用，使液体在气相中分散，将药液变成雾状 颗粒( 气溶胶) ，通过吸入直接作用于病变部位的一种治疗方法。利用该技术产生的气雾 其雾量大，雾粒小( o 5 s p i n ) 而均匀。吸入时可深达肺泡和树状支气管，使药液在呼吸 道深部沉积，达到治疗的目的，具有疗效高、用药少、药效长等优点。目前，该类型仪 器在临床上已被广泛用于各种呼吸系统疾病的治疗。此外超声雾化吸入法也可以应用于 人体保健等。例如采用药氧吸入法吸入氧气与药物的混合体一药氧气溶胶。药氧经人 体吸入增加心，脑，肺等组织的供血和供氧，改善组织的无氧代谢和乏氧代谢，大大提 高治疗效果，增强人体免疫功能，达到保健治疗的目的。 药物透入疗法是将药物与声耦合剂混合，通过超声作用使药物经皮肤或黏膜透入人 体的一种治疗方法。超声波作用于人体时会使组织细胞产生振动，类似一种按摩作用， 提高了细胞膜的通透性，使药物沿细胞间隙进入组织深部以及细胞内部，效果远好于药 8 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 物离子的电透入疗法。目前对于某些顽固性皮肤病疗效甚佳。 三、 超声外科 超声外科的研究出现于2 0 世纪5 0 年代，8 0 年代以后进展迅速，目前l i 盎床上在普外 科、眼外科、脑外科、肺外科、骨外科中得到成功推广和应用，以其独特的优点受到日 益重视。超声外科指采用超声手术刀代替传统的手术刀，切除人体病变组织，进行临床 治疗。超声手术刀主要分接触式超声手术刀( 又称超声切割刀) 和抽吸式超声手术刀( 又 称超声吸引器) 两种。其切割机制主要是基于振动加速度、微声流和超声空化三种效应。 主要优点有：( 1 ) 出血少。( 2 ) 切割省力且速度快。( 3 ) 创口整齐，对组织的破坏面少。 ( 4 ) 具有焊接、加速组织再生以及冲洗吸除等功能。 四、超声治癌 超声治癌主要分为超声热疗、高能冲击波( h e s w ) 疗法、高强度聚焦超声( 唧) 疗法等。 治疗癌症的传统方法有手术、化疗、放疗等。1 9 世纪初期的医学研究发现，肿瘤组 织的散热能力远差于正常组织，因此可以对肿瘤区域进行选择性加热，在对正常组织损 伤很小的情况下通过高温杀死肿瘤细胞以达到治疗的目的，一般是将肿瘤组织加热升温 到4 5 。( 2 左右，并维持一段时间。在临床上一般使用8 0 0 k h z 的聚焦超声束，其加热深度 可达1 2 1 5 c r n 。如果将超声热疗和化疗、放疗等同时使用，不仅可以大大减少放化疗的 剂量，而且可以获得更佳的疗效。超声热疗中的主要问题是体内温度的无损精确测定， 目前超声c t 和微波辐射计的体内无损测温可以精确到0 1 。c 以上。 高能冲击波疗法出现于2 0 世纪8 0 年代中期，其原理是利用液电、压电或电磁等方 式产生高强度冲击波并在焦点上获得3 5 m p a 以上的压力。冲击波产生的巨大机械破坏力 能够明显杀伤、抑制肿瘤细胞，同时容易定位，不会损伤正常组织。 长期以来，寻求对肿瘤的微创或无创疗法一直是人们的关注热点。在这种形势下， 高强度聚焦超声疗法于近2 0 年来迅速发展，并被国际上公认为是“2 1 世纪治疗肿瘤的 新技术”，我国目前在这一领域领先国外3 5 年。高强度聚焦超声疗法治疗切割肿瘤的 主要机制是瞬时高热，并常伴有空化机制。采用单元或多元聚焦超声换能器可以使焦点处 的声强达到1 0 3 1 0 4 w c m 2 ，在短时间内( 1 秒) 产生8 0 。c 以上的瞬间高温，兼有空化 9 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 效应。可以使肿瘤组织发生蛋白质变性、固化、热坏死等效果，同时具有定位准确、创 伤小、效率高、无须体内测温等优点。 五、超声碎石 人体内在肾脏、胆囊、膀胱、尿道、肠道等多个部位都会产生结石，根据结石质地 又可以分成硬性和软性两种。对于硬性结石比较容易采用强超声将其击碎并自行排出体 外。超声碎石主要是使用由数百个压电阵元组成的球面聚焦换能器阵列，将超声波的能 量聚焦到结石上，利用机械、空化等效应使结石破碎。它对于正常组织的破坏很小，并 且安全性好、噪声低、结石破碎较细。对于结石的定位可以使用b 超定位。 软性结石很难采用上述方法直接将其粉碎，当结石位于肾脏、尿道、膀胱等部位时， 可以使用一种接触式超声碎石装置，该装置前端设有一根类似光导纤维的细线，可以通 过尿道导入人体，其尖端与结石相接触，换能器的震动通过变幅杆传导到细线尖端，使 结石破碎。该装置使用简便、安全，碎石率高，缺点是需要将细线导入人体。 1 1 4 生物医学超声其他领域 近年来，超声的一些新的效应被发现并应用于医学领域，声孔效应( s 咖p 0 枷磅觅 是当前比较重要一个研究热点2 】。声孔效应是指生物细胞的含微泡( 如超声对比剂) 悬浮 液经超声辐照后，细胞膜可以对大分子暂时开放，随后闭合，大分子可进入细胞并被细 胞俘获。研究发现，当辐照时间一定而引入的微泡浓度增高或者微泡浓度不变而超声辐 照剂量增加，都可以出现二种声孔效应，即“可修复性声孔效应”和“致死性声孔效应”， 前者是细胞膜上出现暂时性的孔洞，但孔洞会自行消失，不会对细胞造成巨大损害；后 者则会导致细胞膜的永久性破损，使细胞致死。目前对于声孔效应的产生机理尚未完全 清楚，一般认为，声孔效应是由于声空化伴随发生的冲击波、射流对细胞作用的结果。 声孔效应是“超声增强药物传递”和“超声基因疗法”的重要物理基础。超声辐照 用以增强各种药剂传递及其治疗功效的研究近年来受到了广泛关注。研究发现一些药荆 ( 如：阿霉素，b p a d r i a j n y c i n e ) 和细胞同时接受超声辐照之后，药剂的药性和治疗功效可以 显著增高。超声辐照增强各种药剂释放及其功效的原因被归结为超声的声孔效应，即认 为细胞膜对药物分子暂时开放，随后闭合，这期间药物分子很容易被细胞吸收。 基因疗法被称为2 l 世纪的朝阳疗法! 所谓“基因疗法”是指通过治疗基因的转载、 1 0 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 转染来改变人体细胞内的致病基因，从而在分子水平上修复致病基因，以达到从根本上治 疗疾病的目的。当前很多危及人类生命安全的疾病如癌症、艾滋病等疑难病症的根治， 在很大程度上寄托于基因疗法。 从人体外部把治疗基因的载体注入人体，使之与人体细胞的致病基因相结合，以实 现基因的转染和转录，这便是基因转移技术。目前应用的基因转移技术有较大的局限性， 以病毒作载体，基因转染率大，但安全性差且机体对病毒产生免疫反应；以质粒、脂质 体等作非病毒载体，虽安全但转染率太低，并且采用静脉注射的办法导入，其靶向性很 差；局部注射导入，又存在适用范围受限和有创等缺点。国内外近年的研究表明，超声 对比剂微泡可以作为一种新型的基因载体。将粘附或包裹有治疗基因的对比剂微泡经静 脉注入人体后，再从体外对准靶组织进行适量的超声辐照，即可以明显提高基因的转染和 表达，这很可能会成为一种新的安全高效的基因转移技术。 超声联合微泡基因转移技术有两个重要问题：首先，超声辐照剂量和微泡浓度必须 予以严格控制，辐照剂量和微泡浓度过低影响转移效率，过高则会带来损伤。其次，目 的基因与微泡需要先行粘合或包装再行导入，这样可以明显增强基因转化率。 超声联合微泡导入基因的基本优点是：可以明显增强基因的转染和表达，提高基因 治疗的靶向性；设备简单，操作方便，易于实现自动化；成本低。有待进一步解决的问 题是：使目的基因和微泡进行高效结合：使含有治疗基因的微泡蒋连接上能与靶组织细 胞受体特异结合的配体，以进一步提高基因转移的靶向性；治疗基因转录后可获得稳定 而可调控的表达；最佳超声辐照剂量和微泡浓度的选取等。 在以往的生物医学超声技术中，无论是超声成像还是超声治疗，线性现象和规律占有 主导地位。线性声学认为声波在人体组织中传播的频率就是换能器振动的频率，此外回 波强度随换能器发射的强度成比例地增加或减少。这些假设只是对于理想媒质中的小振 幅声波近似适用。而实际上，线性是相对的、局部的，非线性才是绝对的、全局的。以 往未被重视或被忽视的非线性现象和规律，却在人们深入研究事物的过程中日益显示出 其重要性。对超声的非线性现象和规律的研究是成像和治疗的基础，将十分有助于超声 诊断水平的进一步提高，这也正是本文研究工作的出发点。 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 1 2 非线性超声学的研究历史与方向 下面简要地介绍一下现代非线性超声学的发展历史和方向l i 。 非线性声学的研究历史最早可以追溯到1 7 5 5 年，e u l e r 给出了流体的连续性方程和 运动方程，在运动方程中包含有非线性项。此后l a g r a n g e ( 1 7 6 0 ) ，p o i s s o n ( t s o s ) ， s t o k e s ( 1 8 4 鼬，e a m s h a w ( 1 8 6 0 ) ，r i e m a n n ( ( 1 9 6 0 ) ，r a n k i n e ( 1 8 7 0 ) ，h u g o n i o t ( 1 8 8 9 ) ， r a y l e i g h ( 1 9 1 0 ) ，t a y l o r ( 1 9 1 0 ) ，f a y ( 1 9 3 1 ) ，f u b i n i ( 1 9 3 5 ) ，8 u r g e r s ( 1 9 4 8 ) ，h o p f ( 1 9 5 0 ) ， c o l e ( 1 9 5 1 ) 等人的研究对非线性声学的发展作出了巨大贡献，为现代非线性超声学的建 立与发展奠定了重要基础。 现代非线性超声学建立于2 0 世纪6 0 年代前后，至今已有4 0 5 0 年的历史。1 9 4 8 年 j m b u e g e r s 建立了b u r g e r s 方程，用于求解湍流问题。此后大量的研究证明了它适用于 描述耗散流体媒质中声波的非线性传播，直至今日b u r g e r s 方程仍然是非线性超声学中最 重要的模型方程之一。j s m e n d o u s s e 于1 9 5 3 年推导出简单声源在有限振幅边界条件下 b t a g e r s 方程的一个解析解，利用它很容易采用数值计算求出非线性声场的数值解。5 0 年代中期，苏联和美国的学者分别独立求出了热粘滞和弛豫流体媒质中的有限振幅平面 波、柱面波和球面波的解吸解，并且通过大量实验证明了其正确性，同时发现了很多新 的非线性声现象。通过将等熵条件下的状态方程展开成t a y l o r 级数，i k - y e r 在1 9 6 0 年定 义了流体媒质的非线性声参量b a ，可以定量描述流体媒质的非线性特性。且前非线性 声参量在生物医学超声成像上受到了极大的关注，利用它构建的组织超声图像能够更加 精确地反映组织结构的变化。1 9 6 7 年w e s t e r v e l t 建立了声参量阵列的理论基础，超声学 在生物医学领域的应用打下了基础。 进入2 0 世纪6 0 年代以后，非线性超声学的发展主要遵循三个方向：1 ) 通过理论和 数值方法实现对于非线性声现象的定量描述。2 ) 非线性超声的应用。3 ) 对于新的非线 性声现象的预言、探索研究和验证解释。 第一个方向的主要内容是模型方程的建立及其求解。在w e s t e r v e r 方程和b u r g e r s 方 程中，主要包括了有限振幅平面波、柱面波和球面波在传播过程中的非线性效应和吸收 衰减效应( 包括热粘滞和弛豫) 。随后建立起来的k o r t e w e g d e v r i e s - b u r g e r s 方程进一步考 虑到了声散射效应。而对i 灿z a b o l o t s k a y a k l i m e t s o v ( k z k ) 方程则综合考虑了有限 振幅声束在流体和固体中传播的非线性、吸收和衍射效应。对于这些方程进行数值求解 1 2 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 的频域和时域数值解法也有大量相关研究。关于有限振幅声波在各向同性和各向异性媒 质中传播的大量实验结果充分验证了这些模型方程及其数值解法的正确性，同时也指明 了它们的适用条件和范围。 第二个方向的主要内容是研究非线性超声在各个领域的应用。例如利用聚焦超声场 实现超声成像、流速检测、组织定征、超声热疗和无损检测等；利用非线性声参量b a 进行非线性声参量成像；高强度聚焦超声；辐射压和声悬浮；声流效应；热声学、光声 学和电声学等。这些研究大大促进了非线性超声学在生物医学等领域的应用。 第三个方向主要包括对各种新的非线性声现象的研究，例如声空化和微泡动力学： 声化学；孤立予和声混沌等。 可以预测，在今后一段时期内，非线性超声学将面临更多的机会与挑战。在以下一 些方面仍然有大量的问题需要进行深入研究；对复杂媒质( 如人体组织) 中的非线性超 声场特性；非线性超声在医学成像与治疗中的应用；大功率超声；声参量阵：声流、声 化学、声空化等。 1 3 本文的研究内容 生物医学超声和非线性超声的研究工作在国内外已经开展几十年了，虽然结合现代 非线性声学理论与实验的研究进展，以及计算机技术和电子技术的迅速发展，非线性超 声领域取得了长足的进展，在生物医学研究和临床中得到了越来越多的应用，但是由于 非线性声现象的复杂性，人们对非线性超声领域的问题并未完全清楚，研究非线性超声 及其应用还是一项具有挑战性的工作。 从研究内容上看，非线性超声主要包括基础研究和应用研究两个部分，从研究手段 上看，以上每个部分都有理论、实验和数值计算与计算机模拟仿真等三种方法。在非线 性超声的基础研究中，个重点是建立非线性超声场所满足的数学物理方程即非线性声 波动方程，如上文所述的b u r g e r s 方程、k z k 方程、k d v 方程等，它们都是一些非线性 偏微分方程。如何对这些方程进行求解就成为基础研究中的另外一个重点，在求解过程 中，一般需要加上各种特定的初边值条件，然后将方程线性化，再讨论其解法。现在对 于简单的声源( 如圆形、矩形以及相位阵列等) 及表面声压分布函数、简单求解区域、 以及各向同性媒质中的非线性超声场，已经发展出一些解析解法和数值解法。但对于复 杂的声场，尚且没有有效的理论研究方法。通过对于非线性声波动方程的求解，可以从 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 理论上研究各种非线性超声场的特性，解释、预言、探索各种非线性声现象，为非线性 超声在各个领域的应用提供充分的理论依据。由于理论研究具有逻辑上的严格性和一般 性，因此结论具有普遍的适用性，这是实验和计算仿真研究所无法具有的优点。此外， 实验方法也是基础研究中不可忽视的一个重要方面，只有把理论与实验相结合，相互补 充、相互印证、相互促进，才能实现对非线性超声场的全面深入研究，得到最为可靠、 最具说服力的研究结果。因此在基础研究中，理论和实验方法比较重要，数值计算与计 算机模拟仿真则可以作为一种辅助手段，一方面验证理论与实验结论；另一方面在理论 与实验研究无法进行时，也可以采用它对非线性超声场进行一些数值研究，但无法得出 一般意义的结论，因为任一数值计算只能是针对一组特定的参数，不具有逻辑上的严格 性和一般性。 在非线性超声的应用研究中，无论是超声诊断、超声治疗还是其他领域，任何一种 应用都会涉及到非常复杂的声发射、非线性传播、吸收衰减、衍射、反射、散射、超声 和组织相互作用、声接收等一系列物理过程，同时还有可能涉及到超声的机械效应，热 效应、生物效应等，即使是在简单、各向同性媒质中，要找到一个完整的数学模型来精 确描述以上过程都是不现实的，更何况实际媒质的特性要复杂得多。这样，实验和数值 计算仿真研究的重要性就非常显著，目前国内外绝大多数对于非线性超声的应用研究都 是借助于先进的仪器设备，通过大量的实验研究对超声组织谐波成像、对比谐波成像、 高强度超声热疗等进行探索，取得了大量研究成果，直接促进了非线性超声在生物医学 超声等领域的应用，初步实现了组织谐波成像等先进技术的临床应用。相对而言，对数 值计算仿真尚缺少较为系统的研究。 本文的研究内容主要针对非线性超声研究中的基础问题，通过数学物理方法、数值 计算仿真两种途径研究吸收媒质