搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于分数导数研究高强度聚焦超声的非线性声场

孙健明 于洁 郭霞生 章东

引用本文:
Citation:

基于分数导数研究高强度聚焦超声的非线性声场

孙健明, 于洁, 郭霞生, 章东

Study of nonlinear acoustic field of high intensity focused ultrasound by the fractional wave

Sun Jian-Ming, Yu Jie, Guo Xia-Sheng, Zhang Dong
PDF
导出引用
  • 在高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU) 的研究中, 生物组织的衰减和色散性质会对声能量的空间分布产生影响. 本文提出应用分数导数修正非线性Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程, 研究生物组织中非线性HIFU声场. 对三种生物仿体的衰减和声速色散的理论实验研究表明分数导数应用的可行性, 在此基础上通过数值仿真分析研究了衰减及声速随频率的变化对HIFU焦域分布的影响. 研究结果表明, 在计算强非线性聚焦超声时, 由于高次谐波的强色散作用, 引入分数导数来解决生物组织特殊的衰减以及色散问题可进一步提高HIFU治疗的安全性.
    The acoustic energy distribution of high intensity focused ultrasound (HIFU) is influenced by the attenuation and the dispersion of the biological tissue. In this paper we modify the KZK equation according to the fractional wave equation, in order to accurately describe the sound field of HIFU. The theoretical and experimental studies of frequency dependences of attenuation and sound speed examine the validity of the fractional wave equation. Furthermore, the numerical simulation of HIFU field is performed using the modified KZK equation. The results demonstrate that the introduction of the fractional derivative equation could solve the problems of the attenuation and sound dispersion, leading to the accuracy improvement of HIFU therapy.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号: 2011CB707900), 国家自然科学基金(批准号: 81127901, 10974093, 11174141, 11104140), 江苏省自然科学基金(批准号: BE2011110, BK2011543), 江苏高校优势学科建设工程项目和声场声信息国家重点实验室开放课题资助的课题.
    • Funds: Projects supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2011CB707900), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 81127901, 10974093, 11174141, 11104140), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (Grant Nos. BE2011110, BK2011543), and State Key Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences.
    [1]

    Li J L, Liu X Y, Zhang D, Gong X F 2006 Acta Phys. Sin. 55 2809 (in Chinese) [李俊伦, 刘晓宙, 章东, 龚秀芬 2006 55 2809]

    [2]

    Xue H F, Liu X Y, Gong X F, Zhang D 2005 Acta Phys. Sin. 54 5233 (in Chinese) [薛洪惠, 刘晓宙, 龚秀芬, 章东 2005 55 5233]

    [3]

    Yu J, Zhang D, Liu X Y, Gong X F, Song F X 2007 Acta Phys. Sin. 56 5909 (in Chinese) [于洁, 章东, 刘晓宙, 龚秀芬, 宋富先 2007 56 5909]

    [4]

    Lu M Z, Wan M X, Shi Y, Song Y C 2002 Acta Phys. Sin. 51 928 (in Chinese) [陆明珠, 万明习, 施雨, 宋延淳 2002 51 928]

    [5]

    Qian S Y, Wang H Z 2000 Physics 29 686 (in Chinese) [钱盛友, 王鸿樟 2000 物理 29 686]

    [6]

    Throff S, Chaussy C, Vallancien G, Wieland W, Kiel H J, Duc A L, Desgrandchamps F, Rosette J J M C H, Gelet A 2003 Journal of Endourology 17 673

    [7]

    Kennedy J E, Wu F, Ter Haar G R, Gleeson F V, Philips R R, Middleton M R, Cranston D 2004 Ultrasonics 42 931

    [8]

    Wu F, Wang Z B, Chen W Z, Zou J Z, Bai J, Zhu H, Li K Q, Xie F L, Jin C B, Su H B, Gao G W 2004 Ultrasound Med. Biol. 30 245

    [9]

    Gianfelice D, Khiat A, Boulanger Y, Amara M, Belblidia A 2003 J. Vasc. Interv Radiol 14 1275

    [10]

    Chen W, Holm S 2004 J. Acoust. Soc. Am. 115 1424

    [11]

    Wismer M 2006 J. Acoust. Soc. Am. 120 3493

    [12]

    Baglegy R L, Torvik P J 1983 J. Rheol. 27 201

    [13]

    Deffieux T, Montaldo G, Tanter M, Fink M 2009 IEEE Trans. Med. Imaging 28 313

    [14]

    Szabo T, Wu J 2000 J. Acoust. Soc. Am. 107 2437

    [15]

    Lewandowski R, Chorãyczewski B 2010 Computers and Structures 88 1

    [16]

    Szabo T 1994 J. Acoust. Soc. Am. 96 491

    [17]

    Chen W, Holm S 2003 J. Acoust. Soc. Am. 114 2570

    [18]

    Kelly J F, McGough R J 2009 J. Acoust. Soc. Am. 126 2072

    [19]

    Wells P N T 1977 Ultrasonics 15 231

    [20]

    Bamber J C, Fry M J, Hill C R, Dunn F 1977 Ultrasound in Medicine & Biology 3 15

    [21]

    Cheng J C 2003 Acoustic principle (Beijing: Sience Press) p567 (in Chinese) [程建春 2003 声学原理 (北京: 科学出版社) 第576页]

    [22]

    O'Donnell M, Jaynes E T 1981 J. Acoust. Soc. Am. 69 696

    [23]

    He P, Zheng J 2001 Ultrasonics 39 27

    [24]

    Wismer M 2006 J. Acoust. Soc. Am. 120 3493

    [25]

    Kashcheeva S S, Sapozhnikov O A, Khokhlova V A, Averkiou M A, Crum L A 2000 Acoustical Physics 46 170

  • [1]

    Li J L, Liu X Y, Zhang D, Gong X F 2006 Acta Phys. Sin. 55 2809 (in Chinese) [李俊伦, 刘晓宙, 章东, 龚秀芬 2006 55 2809]

    [2]

    Xue H F, Liu X Y, Gong X F, Zhang D 2005 Acta Phys. Sin. 54 5233 (in Chinese) [薛洪惠, 刘晓宙, 龚秀芬, 章东 2005 55 5233]

    [3]

    Yu J, Zhang D, Liu X Y, Gong X F, Song F X 2007 Acta Phys. Sin. 56 5909 (in Chinese) [于洁, 章东, 刘晓宙, 龚秀芬, 宋富先 2007 56 5909]

    [4]

    Lu M Z, Wan M X, Shi Y, Song Y C 2002 Acta Phys. Sin. 51 928 (in Chinese) [陆明珠, 万明习, 施雨, 宋延淳 2002 51 928]

    [5]

    Qian S Y, Wang H Z 2000 Physics 29 686 (in Chinese) [钱盛友, 王鸿樟 2000 物理 29 686]

    [6]

    Throff S, Chaussy C, Vallancien G, Wieland W, Kiel H J, Duc A L, Desgrandchamps F, Rosette J J M C H, Gelet A 2003 Journal of Endourology 17 673

    [7]

    Kennedy J E, Wu F, Ter Haar G R, Gleeson F V, Philips R R, Middleton M R, Cranston D 2004 Ultrasonics 42 931

    [8]

    Wu F, Wang Z B, Chen W Z, Zou J Z, Bai J, Zhu H, Li K Q, Xie F L, Jin C B, Su H B, Gao G W 2004 Ultrasound Med. Biol. 30 245

    [9]

    Gianfelice D, Khiat A, Boulanger Y, Amara M, Belblidia A 2003 J. Vasc. Interv Radiol 14 1275

    [10]

    Chen W, Holm S 2004 J. Acoust. Soc. Am. 115 1424

    [11]

    Wismer M 2006 J. Acoust. Soc. Am. 120 3493

    [12]

    Baglegy R L, Torvik P J 1983 J. Rheol. 27 201

    [13]

    Deffieux T, Montaldo G, Tanter M, Fink M 2009 IEEE Trans. Med. Imaging 28 313

    [14]

    Szabo T, Wu J 2000 J. Acoust. Soc. Am. 107 2437

    [15]

    Lewandowski R, Chorãyczewski B 2010 Computers and Structures 88 1

    [16]

    Szabo T 1994 J. Acoust. Soc. Am. 96 491

    [17]

    Chen W, Holm S 2003 J. Acoust. Soc. Am. 114 2570

    [18]

    Kelly J F, McGough R J 2009 J. Acoust. Soc. Am. 126 2072

    [19]

    Wells P N T 1977 Ultrasonics 15 231

    [20]

    Bamber J C, Fry M J, Hill C R, Dunn F 1977 Ultrasound in Medicine & Biology 3 15

    [21]

    Cheng J C 2003 Acoustic principle (Beijing: Sience Press) p567 (in Chinese) [程建春 2003 声学原理 (北京: 科学出版社) 第576页]

    [22]

    O'Donnell M, Jaynes E T 1981 J. Acoust. Soc. Am. 69 696

    [23]

    He P, Zheng J 2001 Ultrasonics 39 27

    [24]

    Wismer M 2006 J. Acoust. Soc. Am. 120 3493

    [25]

    Kashcheeva S S, Sapozhnikov O A, Khokhlova V A, Averkiou M A, Crum L A 2000 Acoustical Physics 46 170

  • [1] 赵宁宁, 肖新宇, 凡凤仙, 苏明旭. 基于蒙特卡罗原理的混合颗粒三相体系声衰减计算模型研究.  , 2022, 71(7): 074303. doi: 10.7498/aps.71.20211869
    [2] 宋人杰, 袁紫燕, 张琪, 于洁, 薛洪惠, 屠娟, 章东. 基于超声RF信号熵分析的声空化时空监测方法.  , 2022, 71(17): 174301. doi: 10.7498/aps.71.20220558
    [3] 侯森, 胡长青, 赵梅. 利用声衰减反演气泡群分布的方法研究.  , 2021, 70(4): 044301. doi: 10.7498/aps.70.20201385
    [4] 周康, 黎华, 万文坚, 李子平, 曹俊诚. 太赫兹量子级联激光器频率梳的色散.  , 2019, 68(10): 109501. doi: 10.7498/aps.68.20190217
    [5] 罗忠兵, 董慧君, 马志远, 邹龙江, 朱效磊, 林莉. 铸造奥氏体不锈钢中铁素体与奥氏体位向关系及其对声衰减的影响.  , 2018, 67(23): 238102. doi: 10.7498/aps.67.20181251
    [6] 耿易星, 李荣凤, 赵研英, 王大辉, 卢海洋, 颜学庆. 色散对双晶交叉偏振滤波输出特性的影响.  , 2017, 66(4): 040601. doi: 10.7498/aps.66.040601
    [7] 郭各朴, 宿慧丹, 丁鹤平, 马青玉. 基于电阻抗层析成像的高强度聚焦超声温度监测技术.  , 2017, 66(16): 164301. doi: 10.7498/aps.66.164301
    [8] 李政颖, 孙文丰, 李子墨, 王洪海. 基于色散补偿光纤的高速光纤光栅解调方法.  , 2015, 64(23): 234207. doi: 10.7498/aps.64.234207
    [9] 耿昊, 范庭波, 张喆, 屠娟, 郭霞生, 李发琪, 章东. 球形集声器在生物组织中形成的组织损伤.  , 2014, 63(4): 044301. doi: 10.7498/aps.63.044301
    [10] 陈翔, 张心贲, 祝贤, 程兰, 彭景刚, 戴能利, 李海清, 李进延. 色散补偿光子晶体光纤结构参数对其色散的影响.  , 2013, 62(4): 044222. doi: 10.7498/aps.62.044222
    [11] 韩庆生, 乔耀军, 李蔚. 基于全光时域分数阶傅里叶变换的光脉冲最小损伤传输新方法.  , 2011, 60(1): 014219. doi: 10.7498/aps.60.014219
    [12] 黄小东, 张小民, 王建军, 许党朋, 张锐, 林宏焕, 邓颖, 耿远超, 余晓秋. 色散对高能激光光纤前端FM-AM效应的影响.  , 2010, 59(3): 1857-1862. doi: 10.7498/aps.59.1857
    [13] 徐丰, 陆明珠, 万明习, 方飞. 256阵元高强度聚焦超声相控阵系统误差与多焦点模式精确控制.  , 2010, 59(2): 1349-1356. doi: 10.7498/aps.59.1349
    [14] 李林栗, 冯国英, 杨浩, 周国瑞, 周昊, 朱启华, 王建军, 周寿桓. 纳米光纤的色散特性及其超连续谱产生.  , 2009, 58(10): 7005-7011. doi: 10.7498/aps.58.7005
    [15] 聂志强, 李 岭, 姜 彤, 沈磊剑, 李沛哲, 甘琛利, 宋建平, 张彦鹏, 卢克清. 倒V形四能级亚飞秒极化拍的三光子吸收和色散.  , 2008, 57(1): 243-251. doi: 10.7498/aps.57.243
    [16] 赵兴涛, 侯蓝田, 刘兆伦, 王 伟, 魏红彦, 马景瑞. 改进的全矢量有效折射率方法分析光子晶体光纤的色散特性.  , 2007, 56(4): 2275-2280. doi: 10.7498/aps.56.2275
    [17] 袁 玲, 沈中华, 倪晓武, 陆 建. 激光在近表面弹性性质梯度变化的材料中激发超声波的数值分析.  , 2007, 56(12): 7058-7063. doi: 10.7498/aps.56.7058
    [18] 宫玉彬, 邓明金, 段兆云, 吕明毅, 魏彦玉, 王文祥. 衰减器对螺旋线慢波结构高频特性影响的理论研究.  , 2007, 56(8): 4497-4503. doi: 10.7498/aps.56.4497
    [19] 李曙光, 刘晓东, 侯蓝田. 光子晶体光纤色散补偿特性的数值研究.  , 2004, 53(6): 1880-1886. doi: 10.7498/aps.53.1880
    [20] 任国斌, 王 智, 娄淑琴, 简水生. 高折射率芯Bragg光纤的色散特性研究.  , 2004, 53(6): 1862-1867. doi: 10.7498/aps.53.1862
计量
  • 文章访问数:  7414
  • PDF下载量:  779
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2012-09-24
  • 修回日期:  2012-10-26
  • 刊出日期:  2013-03-05

/

返回文章
返回
Baidu
map