高帧率高分辨率超声成像在空化检测中的理论及应用..docVIP

高帧率高分辨率超声成像在空化检测中的理论及应用 班级：硕2052班 姓名：袁媛 学号：311203732 目录 高帧率高分辨率超声成像在空化检测中的理论及应用 3 一．超声空化现象 3 1.1超声空化的发生及物理机制 3 二．超声场中空化泡的研究方法 4 三．采用超高速摄影的方法来观察HIFU场中空化泡群的瞬态行为 7 3.1焦域空化泡群的形成过程 7 3.2焦域后区空化泡群的形成过程 7 3.3焦域前区空化泡群的形成 8 3.4HIFU自由场中焦域空化泡群的行为观察 9 3.5 HIFU场中组织表面附近空化泡群行为观察 9 四．高帧率高分辨率成像 11 4.1超声成像的基本原理 11 4.2解卷算法 12 4.3 合成孔径成像 13 4.4 自适应波束形成 14 4.5对角加载法 15 4.6空间平滑法 17 4.7广义相干系数算法 19 4.8基于空间广义相干系数加权的医学合成孔径超声成像 20 4.9高帧率成像设备SonixDAQ简介 21 高帧率高分辨率超声成像在空化检测中的理论及应用 一．超声空化现象 1.1超声空化的发生及物理机制 超声空化(ultrasonic cavitation)是在超声波的正压期间分子结构成空虚,发射强超声波于液体中产生溶解气体或液体蒸气的气泡成长而爆烈、消灭的现象。在物理声学领域,对超声空化的研究始于20世纪30年代由Morinesco和Frenzel等发现声发光(SL)现象后,由追索声发光起因而引起对超声空化气泡运动的研究及基本效应的测量。 具体而言,超声空化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象,是一个典型的非线性的声学问题。理论上讲,纯净的液体分子结合力很强,因而具有极高的抗拉强度。但通常的实际液体因种种原因而混入一些微小气泡,构成了液体的薄弱环节,当交变声压形成的负压相足够强时,液体将首先在这些薄弱环节处被拉开,从而形成空腔并长大;继而在接着到来的正压作用下空腔将被压缩,进而快速闭合。这种微小气泡随超声振动迅速发生收缩、闭合、破裂的过程即/超声空化。液体中存在的微小气泡称为/空化核,液体产生空化所需的最低声压或声强辐值称/空化阈值,空化阈值只表明用超声波产生空化的难易程度,它与空化的各种效应是两回事。影响超声空化阈值的因素,国内外学者进行了大量的研究发现，对不同性质的液体,与其表面张力系数、密度、饱和蒸气压、粘滞性相关;对同一种液体与其温度、静压力、含气量、含杂质程度等因素有密切关系;另外,在液体状况均相同的情况下,空化阈值随照射声波的频率、波型(连 续波或脉冲波)、波形参数(脉宽及重复频率)而变化。 根据气泡不同的动力学行为可将空化分为稳态空化和瞬态空化。前者是指在液体声场中存在适当大小的气泡时,它们在交变声压作用下可能进入人体共振(即体脉动)状态,当声波频率接近气泡体共振的特征频率时的动力学过程,这一过程往往伴随一系列二阶现象发生,包括辐射力作用和伴随气泡脉动而发生的微声流;而后者是指在较高的声场中气泡的动力学过程更为复杂和激烈,在声场负压相时,存在于液体中的空化核迅速膨胀,随即又在正压相下突然收缩以致崩溃,当气体的体积收缩到极小时,其温度可高达数千度,气泡中的水蒸气被分解为H和OH自由基,自由基又迅速地与其他成分发生化学反应,此外在空化泡崩溃时还有声致发光、冲击波及高速射流等现象伴随发生。两者的发生都需媒质有气泡的存在。 总之,气泡在压缩闭合阶段,由于受到液体中静压力,正声压和液体表面张力的共同作用,泡壁的闭合速度将越来越快,在完全闭合的瞬间,此时因泡内急剧压缩和泡外液体也应看作是非压缩的,因此在气泡快速闭合的瞬间产生一系列放电、发光、高温(5 000 K)、高压(5*107Pa)、高能量密度冲击波、微冲流、微聚变、高精度时钟等奇特极端物理条件。这也是产生生物效应的物理基础。 二．超声场中空化泡的研究方法 从物理、化学和生物技术等不同方面都可以对空化进行检测。在总结了已经发表文献的基础上，表1列出了常用的空化检测方法。 表1 空化检测方法 分类 具体方法 声学方法 B超成像 超声散射 次谐波 二次谐波 宽带噪声 多普勒 生物学方法 组织损伤 细胞损伤 溶血 麻痹 光学方法 声致发光 化学发光 光散射 超高速摄影 光学全息成像 声化学方法 对苯二酸 氢化溴乙非啶 二氯荧光黄双乙酸盐 自旋捕集技术 电子学方法 电阻抗测量 用声学手段检测空化信号，空化声学检测方法基于空化过程中产生的声信息，空化泡产生的声信息包括谐波、次谐波、超谐波和宽带噪声等。自由基和激波的发射是惯性空化发生的两个明显标志。激波包含的频带很宽，会使发射谱的基线上升，就是通常所说的宽带声发射。目前普遍认为惯性空化会产生非谐波