医学超声原理--第十六讲-超声无损测温

第十六讲超声无损测温与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。一．超声测温概述二．反射超声无损测温技术基于回波时移的无损测温技术基于回波频移的无损测温技术基于回波能量的无损测温技术基于回波时频分割图的测温技术基于声速非线性参数的无损测温技术三．其他超声无损测温技术四．HIFU中的测温技术内容提要超声疗法（温热疗法和烧蚀疗法）对温度有要求，需要实时的温度检测，优化疗效。临场热疗中使用有损的热偶测温“…用热电偶探针作测温和控温，实现温热疗法。但在医科大学附属肿瘤医院门诊长期试用中，深感测温针易损，不易插入异常肿瘤，医师和病人尤为担心插针可能导致癌转移，病人难以接受…”一超声测温概述与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。无损测温方法电阻抗断层（EIT）X-CT磁共振（MRI）超声微波无损测温方法比较与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。使用超声进行无损测温的主要优势：费用相对低实时的数据采集和信用处理可穿透体内深处空间和时间定位好与热疗超声技术兼容对人体危害小抗电磁干扰小二反射超声无损测温技术图1超声脉冲波作用下生物组织的离散随机介质模型在该模型下，生物组织温度信息的提取可以通过分析超声散射信号在时域、频域或者能量域的变化来提取。1、基于回波时移的无损测温技术原理：深度为z的生物组织，当声波以速度c(T)传播时，所需要的时间为：若考虑热膨胀：z0(z)2(,())dzczTzzcdct0))(,()()(12)z((1)(2)其中θ（ξ）=θ0+δθ(ξ)是深度ξ处的温度；c(ξ,θ(ξ))代表深度ξ和温度θ(ξ)处的声速；α(ξ)代表ξ处的热膨胀系数；下标c是只考虑声速对热量的相关.加热前后的时移变化：对深度变量求导：经验公式：由于热效应，回波信号显著拉伸.dccz000),(1))(,()()(12(z)t-t(z)t(z)01()()1(t(z))2(,())(,)zzzczzcz32()0.0001260.0466454.8070921453.43cTTTT(3)(4)图2离体猪肝从23.5℃降到20.5℃过程采集到的数据的等值线2、基于回波频移的无损测温技术对于诊断超声而言，生物体组织可以近似看成是规则的离散晶格，它们将使超声回波发生谐振相干现象。设离散晶格的平均散射间距为d，则回波信号的功率谱密度函数在频率fk(k=1，2，...，∞)处出现谐振峰，其中：求导得式中，c为组织中的声速，c和d都是温度T的函数。若组织温度发生较小的改变ΔT，且考虑到，则谐振频率的变化Δfk为：式中,α是生物组织的热膨胀系数;d0和c0分别是基准温度T0下的生物组织平均散射间距和声速。TcTTcdkTfTTk000|)(2)((5)(6)0(1)ddT(7)SeipR等对回波信号用AR谱估计法求取回波频移Δfk，利用计算温度变化值ΔT。离体和在体的实验中，温度估计值与热偶阵测得值偏差都为0.5℃，温度分辨率为0.4℃，空间分辨率达毫米数量级。该方法中，对于Δfk的计算机自动求取，各种组织Δf/ΔT值的预先测定，以及针对不同组织AR模型阶数的确定等问题有待进一步解决。TcTTcdkTfTTk000|)(2)(3、基于回波能量的无损测温技术第一种模型——随机离散介质的散射模型超声散射回波在T=t2-t1时间内的平均散射功率为)()()()()()(2)()(20024-42210)()(16)(e)(TcTTcTtTcTtTcTrReeeecTcTTRSATHTP（8）这里H/R和δ是入射突发脉冲声压的幅值和持续时间,R是换能器到散射组织体积之间的距离,α(T)是组织体积内的衰减系数,且是温度的函数；c(T)是随温度变化的声速,η(T)是组织的散射系数且也是温度的函数,Ar是有效接收面积，ρ0、c0、α0分别是水的密度,声速,衰减系数。若认为散射系数与小粒子的散射截面成正比，式中η(T)可由以下关系估计相对值：其中ρm、cm是媒质的密度和声速，ρs、cs是散射粒子的密度和声速。220202022222023331)()(23331)()()(T)(msmsssssmmmsmsssssmmTcTcTcTcTcTcT（9）与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。从中可以看出组织温度通过衰减系数、散射系数和声速对散射功率产生影响。研究表明，对于似水生物组织（如猪肝），当测试温度升高时，衰减系数的变化使超声散射功率增加，但其贡献大小与时间窗T有关;声速通过散射系数的影响则使散射功率减小。考虑到生物组织中由于散射系数和声速随温度变化而引起的散射声功率的变化，提出基于超声散射能量的无损测温方法。优势：相比于基于时域的超声无损测温方法，这一方法并不要求对某一点回波脉冲的精确测定;相比于基于频移的无损测温技术，超声散射声功率随温度的变化比频移随温度的变化明显。劣势：为保证功率变化的温度敏感性，需要对足够长度的回波信号进行计算，这就限制了该技术的空间分辨率低。第二种模型——基于随机起伏介质的测温模型在这种模型中，超声散射回波声压谱的均方值与组织温度、组织中的声速以及声速对温度的梯度值有关：式中，PT0和c0分别是基准温度T0下的回波声压谱均方值和声速值，Tk是热力学温度，c和都是温度的函数。先用平均归一化功率谱来得到散射回波声压谱，从而可由回波声压谱的均方值得到温度信息。2220)(10kTTTTTccPP（10）Tc/4、基于回波时频分割图的测温技术111ppppppccccPP模型——分层介质模型相邻层反射回波的谱幅度之比与它们的声速差之间存在如下关系：式中，cp、Pp分别是超声在第p层内的传播速度与第p层的反射回波频谱幅度。采用改进的Wigner-Ville函数即柯恩时频（CDF）对回波进行时频分析，并作波群分解，得到各层的反射回波和各层相应的平均声速。该技术需要较精确地测量超声回波，在15MHz采样率条件下，用肝组织进行实验，温度精度达0.5℃。（11）超声波在组织中的传播速度c与声压p有关，且是一种非线性关系：式中，ρ0和c0分别是在无声压扰动时的组织密度和声速，B/A为非线性参数，它随组织温度的变化而变化。结果表明非线性参数B/A的温度系数大于声速的温度系数，用非线性参数方法测得的温度与实际符合较好。但这种方法必须知道待测组织的B/A的温度系数，建立各种生物组织的B/A温度特性数据库是一项十分艰巨的工作。5、基于声速非线性参数的无损测温技术000)21(cPABcc（12）1、透射超声无损测温技术a.基于穿透超声渡越时间的无损测温技术用相位法测量超声穿过肿瘤的渡越时间差，渡越时间差值方程、生物热传导方程和初始与边界条件组成积分微分方程组，解此方程组，可计算出声波传播方向上各点的温度。与实测值相比，此方法估计的温度误差小于0.2℃。b.超声CT无损测温技术该技术主要原理是根据接收到的超声信号进行图像重建。在围绕目标的圆环上均匀分布换能器，每个换能器轮流辐射，其余换能器进行接收。依据接收到的信号，计及人体内超声衍射，用快速卷积反投影法作图像重建。用稀疏扫描和稀疏衍射重建，对某些因素(如:骨、气)造成的数据缺损时可作迭代重建。误差小于0.2℃。由于其不便进行在体试验，因而近年来研究较少。三、其他超声无损测温技术2）有限元法无损测温王鸿樟等、钱盛友等用有限元方法求解生物热传导方程。计及血流的影响，并利用超声源强度和表皮外温度测量值，求出体内温度分布。可获0.5℃的测量精度。由于组织参数特别是血流扩散率对于不同的人、在不同的条件下都是不同的，需要与有损测温多次比较，以获得针对具体病人的经验修正参数。3）超声图像分析法无损测温A.Youssef等、侯珍秀等对组织加热前后B型超声图像的灰度和纹理变化进行分析。结果表明:平均灰度和纹理参数的变化可以表征组织温度的改变。A.Youssef等在研究中利用纹理参数，温度估计精度为2.5℃，这与临床热疗中温度监测的要求尚有一定距离。铜-康铜热电偶针（Clarke）热敏电阻（Bihrle）超声微波辐射电阻抗成像MRI四HIFU中的测温技术临床上HIFU治疗多利用实时灰阶超声仪动态成像显示病灶、定位并且引导穿刺，所以我们期望能应用B超图像以进行临床监测。即对加热过程中组织的B超图像进行处理，提取超声特征参数并确定其温度相关性，以期发展实用的组织定征视频测温新技术。B超图像灰度与温度的相关性超声反射系数与温度有相