超声无损测温的理论研究及计算机仿真

超声无损测温的理论研究及计算机仿真

吴燕行[1]2000年在《超声无损测温的理论研究及计算机仿真》文中指出低强度超声已广泛用来作为医疗诊断和成象。已经发展了许多利用超声的治疗方法并且具有不同程度的临床效果。这些方法的应用根据是类似的,即超声束容易被控制、聚焦和完全是非侵入的。尽管诊断超声作为一种治疗的工具具有这些优点和巨大的潜力,但它在临床方面的应用仍受到一些限制。其主要原因是控制方法和治疗反馈的设计和实际的实施的方面几乎没有进展。 本课题的研究任务是使用计算机仿真的方法验证一种利用超声波测量人体组织内部温度的技术。该技术的基础是人体组织的离散散射体模型(超声体模)理论。研究有三个重点方面:a.超声体模的数学模型的建立。b.超声波回波信号的分析方法,即从超声波回波信号中提取温度信息的方法。本课题的研究中,我们采用了两种谱估计方法--AR模型功率谱估计方法和超分辨率快速谱估计算法。c.超声波无损测温系统的仿真。 研究过程中建立了一个实际的超声波无损测温系统。系统的主要设备包括一个A型脉冲超声诊断仪,一个数字示波器和计算机。A型脉冲超声诊断仪的工作频率为2.5MHz。数字示波器的采样频率最高可到200MHz。研究中,我们使用Matlab5.2和VC++5.0作为工具对这个的超声波无损测温系统进行仿真。仿真的目的是验证理论上测量能达到的温度分辨率和空间分辨率。 仿真结果表明:理论上,使用超声波测量人体组织内部温度技术能够达到的温度分辨率最高为0.1℃,空间分辨率最高为2.0mm。

徐海东[2]2004年在《后向散射超声无损测温设备关键技术的研究与实现》文中进行了进一步梳理超声无损测温是一个集超声学、生物医学、热学、电子学、计算机科学、图像学、数学等众多领域在内的多学科交叉的前沿课题,不仅有着巨大的应用需求,而且与 EIT、X-CT、MRI、微波等其他测温技术相比,拥有相当多的技术积累和优势。 本论文以全身灌注热疗治癌为背景,以后向散射超声无损测温为目标,从测温模型和算法、测温仪设计与实现、离体和动物实验等各方面,探索出有效的超声无损测温方案,并指出在拥有高性能超声测温仪、基于先验知识的高效时移算法的前提下,超声测温将在组织定征参数 Km较小的组织首先临床实用。 本论文全面分析了建立在生物组织离散随机介质模型下的后向散射超声时移、频移测温模型,确立了时移模型的优势地位。从图像处理分析的角度提出了一种新的二值图像模糊跟踪算法(BIFT),进行了理论推导,并与互相关算法(CCA)和自回归功率谱密度(AR-PSD)算法做了比较。与传统的 CCA 技术相比,BIFT 在空间分辨率和记忆力、计算量、算法收敛性和抗噪性上都有明显改善。BIFT 已成功地应用于超声时移测温仿真和离体实验。 为了得到丰富的超声原始射频回波信息,传统的超声诊断仪不能满足超声测温模型和算法对超声测温仪提出的高采样率、高信噪比的要求。因此本论文研制了基于 PC 的全数字化 A/B 型超声无损测温仪,包括超声探头的选择、测温仪整体考虑、全数字化超声、高采样率高增益高信噪比放大电路、频率自适应等关键技术,并给出了基于 A/B 两种不同探头的设计实例。本论文研制的超声测温仪可以满足时移、频移和能量模型等任何超声脉冲回波式测温系统的需要。 本论文通过数据仿真、水温实验、离体实验、组织定征以及动物实验等各个环节,提出了一套实用的超声无损测温临床方案。研究发现,与加热模式和目标尺寸等先验知识相关的时移拟合阶次、超声测温仪的采样率和信噪比、组织定征参数 Km 是直接影响温度评估精度的三大因素;提出了超声测温标记法,并考虑了临床运动补偿、人体热模型和人体解剖模型;给出了超声测温仪的最小采样帧率判据以及猪肝的 Km 值。

程志刚[3]2006年在《915MHz植入式内冷却微波消融肝组织》文中进行了进一步梳理目的:(1)探索915MHz植入式内冷却微波在离活体猪肝组织中消融的形态及范围,以及活体中消融区相应的组织病理学表现。(2)在体模中研究915MHz植入式内冷却微波消融三维热场计算机模拟的方法,得到不同功率时间条件下的三维热场,再通过离体猪肝消融实际测温的结果加以检验和校正。 材料和方法:(1)将915MHz植入式内冷却微波天线直接插入离活体猪肝组织进行消融实验,并用热电偶测温系统实时记录预定测温点的温度曲线。共进行了70次离体猪肝消融实验,测温237点次;以及9次活体猪肝消融实验,测温25点次。微波作用方式采用连续波及脉冲波(2:2)两种方式。(2)根据Pennes生物传热方程,在仿肝体模中精确布置48个热电偶测温点,由其温升初始阶段的斜率,在缝隙前向(z>0)r方向上采用指数衰减,z方向上采用三次多项式进行拟合;后向(z<0)利用二维拟合来求解体模中比吸收率SAR的分布函数。借助有限元法对三种微波能量条件下(60W600s、70W600s、80W600s)消融的三维热场进行计算机模拟,并结合体模实验中实测的温度曲线进行反复的检测和校正。(3)将离体猪肝的热物性参数导入上述热场中,并利用73点次的实测温度曲线对该热场进行反复对比校正。 结果:(1)915MHz植入式微波在离活体猪肝组织中消融的形态呈以天线为中心轴对称分布的椭球体,而在天线方向上前向(z>0)和后向(z<0)的分布是非对称的,后向位点的温度高于前向对应位点的温度。增加功率会在一定程度上增加54℃凝固范围。活体肝脏消融区肉眼观察与相应的病理组织学表现有

杨一鸿, 王鸿樟[4]1993年在《超声CT法无损测温》文中提出本文研究了测温用的超声CT算法,分析了测量精度和时间,运用两种迭代法讨论了声波受到人体内骨骼、空气阻碍时,投影数据缺损情况下的超声CT重建算法。文中还进一步研究了超声衍射CT;在卷积——反传播法的基础上,提出一种新的投影数据缺损时超声衍射CT算法,并给出了计算机仿真的结果.

王亚, 傅伟[5]2013年在《基于AR模型的HIFU无损测温方法研究》文中研究表明自回归功率谱密度(AR-PSD)方法的基础是生物组织的离散散射体模型〔超声体模〕理论,该模型认为生物组织为半规则的散射体分布的,这种方法是基于温度和频移的相关特性。本文介绍超声回波信号对HIFU(High Inten-sity Focused Ultrasound)治疗的测温技术,从测温模型和算法,实验仪器的设计和构建,仿真和离体实验中获取了一套有效的测温方法,利用Matlab7.1和VC++6.0作为工具对超声回波信号进行计算机仿真,并从实验获得的超声回波信号中分析出具体的温度变化,验证了算法的可行性。

朱瑞旻[6]2015年在《磁共振引导乳腺癌热消融治疗的温度成像方法研究》文中研究说明磁共振引导的乳腺微波热消融治疗是一种重要的微创介入治疗方式,由于有着创伤小、恢复快等优势,它正逐渐成为治疗乳腺癌的有效手段。在微创介入治疗中,需要解决对目标组织施加热量的控制和对手术部位的温度监控等问题,因此必须对治疗过程进行实时监控包括对目标组织精确定位和温度监控,以提高手术的成功率。在磁共振引导乳腺微波消融手术过程中,温度成像方法可以算出被消融区域的准确温度。虽然目前国内外已经有很多种温度成像方法,但是由于乳腺组织自身的特殊性,需要对已有的温度成像方法加以改进,以消除乳腺组织中大量的脂肪组织对温度测量的准确性的影响:而在同时含有水和脂肪的组织中,含有水的组织的测温结果会受到温度变化导致的周围脂肪组织的磁化率变化的影响,引起测温误差。因此,需要一种新的测温方法或者温度成像优化方法减小磁化率变化对测温准确性的影响。针对上述问题,本文提出了一种新的基于磁化率变化的温度成像优化方法。首先使用最基本的温度成像方法求出热消融区域的温度;然后针对乳腺组织的特异性,使用水脂分离的温度成像方法计算温度,同时借助水和脂肪磁化率变化的差异性对温度进行修正;最后将温度差作为评估温度修正算法优劣的指标。最后仿真实验结果表明,对于包含水脂两种组织的热消融模型,在微波消融输入功率为15W,微波消融时间为300s的时候,本算法的综合修正效果最好。上述结果证明了本算法的正确性以及可行性,适用于任何含有水和脂肪两种物质的组织。

张雨[7]2013年在《二维方形边界温度场声学测量可视化研究》文中指出为了实现温度场声学测量的可视化研究,在气体介质环境中,针对二维方形边界温度场分别从理论推导、计算机仿真重建、实际测量三个方面进行研究。依据温度场声学测温的基本原理,选择最小二乘法作为温度场反演重建算法,利用Matlab软件编写温度场反演重建程序,对模型温度场进行仿真重建。在此基础上,在实验室条件下,以一个2kW的电炉子模拟实际温度场的热源,选取边长为1.5m的方形边界区域作为温度场的待测区域,并将该区域划分为16个正方形的子温区,在温度场方形边界上均匀布置8个超声波传感器共产生24条相互独立的声学测温路径(声线),以信号发生器作为信号源,以数字示波器作为信号接收端,搭建二维方形边界温度场声学测量实验系统,在多路径声学测温循环控制系统的控制下,对温度场中24条声线上声波传播时间进行快速测量,将时间测量数据写入温度场重建程序,重建出温度场16个子温区的中心温度,利用Matlab软件对温度数据进行插值运算,绘制整个温度场三维显示图及等温线图,实现了温度场的可视化测量。同时,搭建一套温度场点测系统,与声学测温系统做对比分析。比较声学方法与点测方法的测量结果,对于无热源温度场,最大绝对误差2.03K,平均相对误差0.39%;对于单峰对称温度场,最大绝对误差5.84K,平均相对误差1.45%;对于单峰非对称温度场,最大绝对误差7.61K,平均相对误差1.54%。结果表明,在误差允许的范围内,两套测温系统的测量结果基本吻合,证明了实验室条件下搭建的二维方形边界温度场声学测量实验系统的合理性和可用性,为声学测温技术走向实际应用,迈出了较为坚实的一步。

刘慧慧[8]2016年在《超声波冰密度检测方法的机理研究》文中提出本课题是在“南北极环境综合考察与评估”(编号:CHINAER 2015-02-02)专项项目与国家科学自然基金项目“基于电容感应技术的海冰厚度监测方法的研究(编号:41176080)”的资助下进行超声波冰密度检测方法的机理研究。冰的力学参数与其生长过程中的温度、密度及盐度关系紧密,目前,测量冰密度的方法主要有排液法和重量-体积法。排液法历史上使用舒列金量筒测量,目前采用水或煤油等作为参考液体,因此冰的密度还无法实现在线实时自动化监测。本课题根据超声波透射原理,对超声波在淡水冰中的传播特性进行COMSOL仿真分析,设计了超声波冰密度检测实验系统,超声波冰密度检测实验系统包括两大部分:超声波检测装置部分与冰密度测量部分,其中,超声波检测装置包括超声波发射与接收单元电路,密度测量部分提出两种测量方法并对相应的测量装置进行了设计,一种是排防冻液法,另一种是在不同温度下分别取冰样利用重量-体积法进行测量。通过大量实验测量穿透冰层后超声波信号的峰峰值,分析超声波在冰介质(淡水冰和海冰)中传播时的衰减变化与温度之间的关系以及冰密度、温度与信号峰峰值之间的关系。最后,得出以下两点结论:(1)冰中超声波传播特性:当淡水温度下降到0℃时,水开始出现结晶,峰峰值逐渐减小,说明超声波在固液混合状态下衰减较大;温度由-0.1℃向-0.2℃跳变时,固液混合态恰好变为固态,此时峰峰值衰减到最小值;温度继续降低(低于-0.2℃),临界固态转为固态,结构趋于稳定,冰密度逐渐增大,超声波信号峰峰值增大。实验同时表明:超声波检测冰密度变化时,超声波接收信号峰峰值与冰密度成相关性。50kHz频率适合监测温度在0℃至-5℃之间的冰密度变化情况,而150kHz频率适合监测温度在-5℃至-15℃之间的冰密度变化情况。(2)海冰中超声波传播特性:海水温度维持在冰点-0.3℃时处于冰水混合物状态,超声波信号的峰峰值衰减较大;当海冰温度在-0.3℃~-10℃区间时,穿透冰层后所接收到的超声波信号的峰峰值在下降;低于-10℃时,超声波信号峰峰值开始逐渐增大。同时得出:对于实验条件下盐度为11‰的海冰(冰点在-0.3℃左右)密度进行检测时,50kHz频率适合检测温度在-0.3℃至-15℃之间的情况,而150kHz频率可以对海冰温度在-0.3℃~-25℃的冰密度进行检测,并且在检测温度区间内超声波接收信号峰峰值与冰密度成相关性。以上研究表明,利用超声波检测冰密度的方法在机理上是可行的,为进一步设计超声波冰密度检测传感器提供了理论依据,同时也为实现冰密度的自动化检测提供了一种新方法。

何培忠[9]2006年在《生物组织中的超声激发声发射(USAE)及其医学应用研究》文中研究表明使用双频共焦超声波可以对位于生物组织内部的共焦区组织施加低频的振动辐射力。共焦区组织在振动辐射力的作用下沿入射波的声轴来回振动,向周围发射低频波信号,这就是超声激发声发射(USAE)信号。研究表明,该信号中同时包含了共焦区组织的声衰减和弹性信息,对研究生物组织的病理变化具有重要意义。当两束入射波功率较低时,通过用共焦超声束对组织进行逐点扫描,并将由低频水听器检测到的USAE信号用于逐点成像,即可获得反映扫描区组织特性变化的图像,这就是振动声图像,这种成像方法或技术称为振动声成像。当两束入射波以较高功率发射时,共焦换能器则工作在双频HIFU模式。由于USAE信号和两束入射波非线性相互作用引起的差频波的存在,使得双频HIFU对共焦区组织的作用效果与常规单频HIFU有很大不同。本文以双频共焦超声波为基础,对生物组织中超声激发声发射(USAE)、超声激发振动声成像(USVA)以及双频HIFU进行了理论和实验两个方面的研究。主要研究内容包括三部分:1.在详细介绍辐射力的产生及USAE原理的基础上,从理论上做了两方面的研究。一是首次提出了用振动球模型来描述USAE的声场发射规律,并用该模型的理论分析结果,详细分析了组织的声吸收系数、差频的选取、组织弹性

佚名[10]2002年在《通信》文中研究说明‘]’N91 020208601 PX实时通信软件的设计与实现/匡巍,张晓林,崔迎炜,周向荣(北京航空航天大学)11月晾航空航天大学学报一2001,27(3)一260一263分析T基于1 PX(In七el·netwol·k Paeket eXehange

参考文献:

[1]. 超声无损测温的理论研究及计算机仿真[D]. 吴燕行. 北京工业大学. 2000

[2]. 后向散射超声无损测温设备关键技术的研究与实现[D]. 徐海东. 清华大学. 2004

[3]. 915MHz植入式内冷却微波消融肝组织[D]. 程志刚. 中国人民解放军军医进修学院. 2006

[4]. 超声CT法无损测温[J]. 杨一鸿, 王鸿樟. 上海交通大学学报. 1993

[5]. 基于AR模型的HIFU无损测温方法研究[J]. 王亚, 傅伟. 电子设计工程. 2013

[6]. 磁共振引导乳腺癌热消融治疗的温度成像方法研究[D]. 朱瑞旻. 中国科学技术大学. 2015

[7]. 二维方形边界温度场声学测量可视化研究[D]. 张雨. 东北石油大学. 2013

[8]. 超声波冰密度检测方法的机理研究[D]. 刘慧慧. 太原理工大学. 2016

[9]. 生物组织中的超声激发声发射(USAE)及其医学应用研究[D]. 何培忠. 上海交通大学. 2006

[10]. 通信[J]. 佚名. 中国无线电电子学文摘. 2002

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