针对激光干涉法高强度聚焦超声（HIFU）声压测量中干涉系统带宽解算依赖线性声场条件，导致解算结果与实际有较大差异的问题，首先通过理论分析，建立了HIFU声压测量中干涉信号的数理模型；针对非线性声场条件下干涉信号无法进行函数展开的情况，利用数值仿真的方法对干涉信号的频域进行分析；通过对比具有相同声压峰峰值和基频的线性和非线性声场条件下的干涉信号频谱，发现了非线性声场对激光干涉信号带宽的展宽作用，证明了现有线性声场条件下干涉系统带宽的估算方法不适用于HIFU声压测量；利用实测HIFU声压数据，通过仿真分析，发现在非线性声场条件下，激光干涉系统带宽随被测声压峰峰值呈二次方规律变化，而不是线性声场条件下的线性变化规律。

高频声透镜聚焦超声换能器在电子器件评估与检测、材料微观机械性能表征、生物医学成像、细胞操控等方面具有重要的应用。结构参数是影响其性能的主要因素之一。该文通过有限元法对基于声透镜结构的高频聚焦超声换能器进行仿真模拟, 分析了声透镜的开孔角度对该类换能器聚焦区域声压模式、横向分辨率、-6 dB景深等关键性能参数的影响。仿真结果表明, 换能器的焦距和横向分辨率与理论计算结果接近。随着声透镜开孔角度的增大, 换能器的横向分辨力随之提高, 焦点处声压级逐渐增大, -6 dB景深逐渐下降。这为声透镜聚焦超声换能器的优化设计提供了一定的技术基础。

该文利用k-Wave对高强度聚焦(HIFU)超声在多层组织中的焦点偏移现象进行了仿真及理论研究, 分析了不同变量在非线性情况下对高强度聚焦超声穿过多层组织达到肝脏组织中形成的焦点位置的影响。研究发现, 在换能器参数相同条件下, 多层组织的存在将导致焦点明显向换能器方向偏移, 其聚焦位置相对于水域中焦点位置相差达到2.6 mm; 肌肉厚度的增加将导致焦点向靠近换能器方向移动, 脂肪厚度的增加将导致焦点向远离换能器方向移动。对于不同F数(F数表示换能器曲率半径与开口直径之比)的换能器, 焦点位置的变化相对较小, 这说明本研究的焦点偏移现象及结论对于不同的换能器有普适性, 可为高强度聚焦超声精准高效治疗提供参考依据。

低强度聚焦超声治疗技术是当前超声治疗领域的研究热点, 应用场景不同对于超声系统的参数和性能要求也具有差异化, 相控阵技术的引入为解决聚焦声场精确控制带来了新的思路。现有相控阵聚焦超声控制系统的输出参数相对固定, 频率和功率可调范围窄, 且支持换能器阵列通道的规模较小。该文设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的256通道的相控阵超声控制系统。实验结果表明, 该系统实现频率1~3 MHz 可调, 输出电压峰-峰值±100 V连续可调, 相位延时精度为5 ns, 可驱动不同阵元数的相控阵探头, 从而为超声治疗技术的研究提供多元化激励实施方案。

搭建了一套多角度扫描的高灵敏度光声介观(OPAM)实验系统,可同时实现高灵敏度测量和多角度信息获取,并利用该系统对小动物肿瘤的结构信息与功能信息进行了初探。通过仿体实验验证了所搭建系统的空间分辨能力,满足OPAM成像需求;通过对两种小动物肿瘤模型进行OPAM实验,可获得肿瘤的结构图像以及两种肿瘤较为明显的类型特征;之后利用该系统在双波长测量条件下获得了肿瘤的血氧饱和度值。实验表明,该OPAM系统可以为肿瘤学研究提供一定的参考与指导,在生物医学研究领域具有较好的应用前景。

本文提出了一种基于功率谱信息熵和GK模糊聚类相结合的方法, 应用于生物组织变性识别判定中。利用高强度聚焦超声辐照离体新鲜猪肉来改变其特性, 并用热电偶测量声焦区温度, 同时采集了不同温度时的超声回波信号。通过对采集的信号进行截取, 研究了分段数对功率谱信息熵辨识性能的影响。研究发现当分段数为26至32时, 功率谱信息熵的准确度、灵敏度和特异度均有较高的值。本研究计算了分段数为30时的功率谱信息熵, 此时的变性组织对应的功率谱信息熵比未变性组织对应的功率谱信息熵平均高出约0.094, 大约为7.99%。采用功率谱信息熵作为特征参数时, GK模糊聚类效果优于模糊C均值聚类；采用GK模糊聚类方式, 功率谱信息熵比小波熵具有更高的辨识率。

本文提出了一种基于哈达玛变换的频谱图像灰度共生矩阵(Hadamard-GLCM)的高强度聚焦超声治疗无损测温方法。利用高强度聚焦超声辐照新鲜离体猪肉组织, 获取辐照前后的B超图像的减影图像, 采用Hadamard变换对其进行处理, 获取频谱图像, 将频谱图像的灰度共生矩阵惯性矩作为反应温度变化的信息参数。实验表明: 不仅单组数据的Hadamard-GLCM惯性矩(HGMI)和温度能很好的线性拟合, 而且多组数据的Hadamard-GLCM惯性矩与温度也成近似的线性关系, 而且斜率非常接近, 拟合度更接近1, 误差小, 对温度的分辨能力高, 容错能力强, 与传统的测温方法相比有着明显的优势, 能为HIFU治疗过程中的无损测温提供有效的实时依据。

基于B超图像分析HIFU治疗中辐照剂量、组织凝固性坏死区域和图像参数之间的关系。通过对高强度聚焦超声辐照新鲜离体组织前后获得的B超图像做数字减影处理, 计算图像灰度平均值, 同时切片观察并记录生物组织的凝固性坏死区域大小, 在此基础上得到大批量数据的统计特性。结果表明: 辐照剂量、组织凝固性坏死区域与B超图像灰度平均值在一定范围内成正相关性; 当凝固性坏死区域增大到一定程度时, B超图像灰度平均值不再增大, 而是呈无规律分布。B超图像灰度可反映组织损伤程度, 为实时监控HIFU治疗效果提供依据。

为检测液体中发生剧烈空化时的临界声压的大小，提出了一种基于声光偏转效应对临界剧烈空化声压进行检测的方法。根据远场光斑分布的时间变化规律确定剧烈空化的发生，通过光线最大偏转距离与焦点峰值声压的关系，可非介入地检测临界剧烈空化声压值，重复性高。通过分析液体中气泡分布及变化规律，以及空化阈值声压随外界环境压强的变化规律对测量结果进行标定，证实了该方法检测临界剧烈空化声压的可行性。

提出了一种基于声光折射对聚焦超声焦点声压进行非侵入式检测的方法。当一束直径小于声波长的平行光束入射穿过聚焦超声的焦点时，通过研究焦点声压与光线偏转的具体关系，建立了光线最大偏转距离与焦点声压变化的关系模型，从而计算出焦点峰值声压。为了对理论模型进行验证，采用凹球面型聚焦换能器进行实验研究。通过与采用光纤水听器测量的结果进行对比，证明理论模型的可行性。结果表明实验得到的光斑图像与理论分析的结果一致，且用该方法测得的焦点峰值声压与光纤水听器测量的结果相比，相对误差小于15%，证明该方法具有可行性，能够定量检测焦点峰值声压。模型的提出也为将声光折射效应用于整个聚焦声场的定量检测提供了实验依据和理论依据。