医学超声原理--第十六讲 超声无损测温

(7) 下的
Seip R 等对回波信号用AR 谱估计法求取回波频移Δfk，利用
计都该算为方温法0度.5中℃变，，化对温值f于度kΔ(Δ分TT。f)辨k 的离率计体2为算kd和00.机在4℃自体，动c的空(T求T实间取)验分|，T中辨各T，率0种温达组度毫织c估米0Δ计数f值/Δ量T与T级热值。偶的阵预测先得测值定偏，差以
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。
内容提要
一．超声测温概述 二．反射超声无损测温技术
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。
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。
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
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：
PT

PT 0
1 c02

c(T T
)

2
Tk
2
（10）
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 c / T都是温度的函数。先用平均归
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：
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…”
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。
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：
z
(z) 2
dz
0 c(z,T (z))
(1)
tc(z) 2 z 1 ( )( ) d
0 c( , ( ))
(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.
三、其他超声无损测温技术
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℃。
(5)
求导得 (6)
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：
d d0 (1 T )
生物组式织中平,α均是散f生k射(物T间组)距织和的2声kd热0速膨。胀c(系TT数) |;Td0T和0 c0 分c0别是T基准温度T0
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。
(T)


m cT
2 m

s c(T
)
2 s


s
c(T
)
2 s
2


1 3

3 s 2s
3m m
2
(T0 )


m
cT0
2 m

s c(T0

s
c(T0
)
2 s
)
2 s


1 3

3s 3m 2s m
加热前后的时移变化：
t(z) t(z) - t 0 (z)

z
2
对深度变量求导：0
1
( ) ( c( , ( ))
)

1
c( ,wenku.baidu.com
0
)
d

(3)

经验公式： z
(
t(z))

2
1(z) (z)

c(z, (z))

1
c(z,0
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℃ 。
5、基于声速非线性参数的无损测温技术
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：
c

c0

(1
B) 2A
P
0c0
（12）
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。
2 (T )c(T )t2
(T )c(T )
(T )c(T )
16TR4 2 (T )c(T )0c0
（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， ρ 0、 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：
2
（9）
其中ρ m、cm是媒质的密度和声速， ρs、cs是散射粒子的密度和声速。
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。
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。
)

(4)
c由(T于) 热 0效.0应00，12回6T波3信 0号.0显46著64拉5T伸2. 4.807092T 1453.43
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 其回中波：信号的功率谱密度函数在频率fk(k=1，2，...，∞)处出现谐振峰，
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。
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。
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
P(T ) H 2e-40R(T )SAr
e e e e 2 (T )c(T )t1
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。
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。
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
一超声测温概述
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。
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。
4、 基于回波时频分割图的测温技术
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：
Pp c p1 c p
Pp1 c p c p1
（11）
式射中回，波cp频、谱Pp幅分度别。是超声在第p层内的传播速度与第p层的反