Page 85 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 陈燕华等： 高强度聚焦超声治疗子宫肌瘤中水囊耦合的影响评估 1195

基于 k-Wave 声学仿真软件，在有无水囊情况 层吸收，称为完美匹配层 (Perfectly matched layer,
下求解式 (5) 得到 HIFU 辐照靶组织后的温度分布， PML) [20−22] 。PML 包围着计算域，均匀添加在计
并分析两种情况下的焦域温度差异来评估水囊对 算网格的所有边，且其必须满足两个要求：(1) 该
治疗效率的影响。 层必须是 “透明” 的，即声波可以任意穿过而不会
引起任何声波反射回介质；(2) 该层的媒质必须有
1.4 凸阵探头超声成像及其图像质量
“吸收” 行为，以使输出波在到达计算域边缘时显
发散波超声成像是一种非聚焦式的超声成像
著衰减。本研究建立的二维轴对称模型中，PML
方式 [15] ，它利用全孔径发射和接收。单角度发散波
设置为 2D 默认情况下的模拟值，即 PML_size=20
发射、接收一次虽然都能得到一幅超声图像，但其
(PML_size以网格点为单位定义)。
成像质量较差，为了得到图像质量更好的图像，可以
对不同角度的超声图像进行复合 [16] 。本文采用计 x/mm
算线阵探头发射平面波的发射和接收延时的方式 230.4
PML
来近似得到腹部凸阵探头每个阵元发射脉冲信号
ጸጻ
的延时 [17] ，使其波阵面可以向左或向右偏转。 160
利用 k-Wave 声学仿真软件模拟腹部凸阵探头 ඵٺ 120
(C5-2c) 在 [−10 , 10 ] 之间偏转 11 个角度发射发散
◦
◦
波，将仿真得到的反射回波数据处理成射频 (Ra- 70
ᑲඡඵ
dio frequency, RF) 信号用于波束合成以得到超声
图像。在有无水囊的情况下分析超声图像的分 -115.2 0 0 115.2 y/mm
辨率，并计算其对比度 (Contrast radio, CR)、噪 HIFU૱ᑟ٨
声对比度 (Contrast-to-noise, CNR) 和背景信噪比
图 3 HIFU 换能器辐照靶组织仿真模型
(Speckle SNR, SSNR) 来评估水囊对成像质量的影 Fig. 3 HIFU transducer irradiation target struc-
响。其中超声图像的分辨率越大，表明其图像质 ture simulation model
量越差；而 CR、CNR 以及 SSNR 值越大，说明超
模型中 x 轴为超声波的传播方向，y 轴为换能
声图像质量越好。具体计算方式如式 (6)、式 (7) 和
器开孔直径方向，网格大小为9200 × 9200，HIFU辐
式 (8) [18−19] 所示：
照靶组织的辐照深度为40 mm。
CR = µ bg − µ cyst , (6) 仿真过程中，水和肝脏组织的参数见表 2、
|µ bg − µ cyst | 表3 [23] ，换能器的参数见表4。
CNR = √ , (7)
2
2
σ bg + σ cyst 表 2 水和肝脏的属性
SSNR = |µ bg |/σ bg , (8) Table 2 Water and liver properties
其中，µ bg 是背景散射体的平均强度，µ cyst 是暗斑内 介质 声速/ 密度/ 比热容/ 导热系数/
· C
(m·s −1 ) (kg·m −3 ) (J·kg −1 ◦ −1 ) (W·m −1 ·K −1 )
部的平均强度，σ bg 是背景散射体的成像强度的标
水 1483 1000 4178 0.60
准差，σ cyst 是暗斑内部的强度的标准差。
肝脏 1568 1060 3639 0.51
1.5 仿真模型及参数
表 3 水和肝脏对应基频和谐波的声吸收系数
®
如图 3 所示，本文以海扶刀 设备 (JC200 型)
中的HIFU 换能器为模型，基于实际的临床场景，利 Table 3 The acoustic absorption coeffi-
cients of water and liver corresponding to
用 k-Wave 工具箱模拟 HIFU 换能器发射超声波经
fundamental and harmonic frequencies
水域、水囊后在靶组织聚焦的过程，该仿真域包含
HIFU 换能器、水域、水囊以及与肝脏具有相同声学 (单位： Np·m −1 )
特性和物理特性 (包括声速、密度、比热容和导热系 基频 二次谐波 三次谐波 四次谐波
数) 的生物组织。当声波在介质中传输到达计算域 水 0.025 0.0501 0.076 0.100
边缘时，它们被一种特殊类型的各项异性吸收边界 肝脏 6.400 13.83 20.75 27.66