声辐射力增强的近红外光血流测量技术研究

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漫射相关光谱(Diffuse Correlation Spectroscopy,DCS)是一项利用光场的时间自相关信号测量微血管系统血流(Blood Flow Index,BFI)的新兴技术。在某些情况下,正常组织和病理组织的血流差异不十分明显,本文目的是通过超声技术来增强DCS血流测量的对比度,分析了不同超声模式下声辐射力(Acoustic Radiation Force,ARF)与BFI的对应关系,主要工作如下:(1)建立了超声发射与声波在生物组织中传播过程的有限元仿真模型。首先在有限元仿真软件COMSOL Multiphysics中建立超声换能器阵列与传播介质的几何模型,添加相应的物理场和边界条件实现物理场耦合。然后使用MATLAB编程产生参数可控的正弦脉冲或矩形脉冲,驱动有限元模型中的换能器阵列发射平面波束或聚焦波束。最后以可视化的形式仿真声波在介质中传播时声学参数的变化情况,取得目标探针处的声压变化情况,并导出不同超声模式下ARF的大小关系。(2)完成了声辐射力作用下的DCS血流测量仿体实验。首先在超声研究平台Verasonics Vantage 64 LE上进行超声序列编程,控制超声换能器阵列发射仿真中使用的超声序列。然后,使用自主研发的DCS血流测量仪来探测不同超声模式下光场的时间自相关数据。最后,使用蒙特卡罗仿真得到了光子在仿体中传播路径与权重,并通过血流求解的N阶线性算法得到了不同超声模式下的BFI的大小关系。仿真结果表明,聚焦波束产生的ARF大于平面波束,在同种波束类型中,矩形脉冲产生的ARF要大于正弦脉冲。仿体实验结果表明,超声能够引起光场时间自相关函数的斜率增加,从而引起BFI的增加,不同超声模式下仿体实验测得的BFI的大小关系与仿真中获得的ARF的大小关系完全一致,数值具有较高的相关性,经由ARF提升后的BFI的变异系数CV小于2%,具有很高的稳定性。在聚焦波束下使用正弦脉冲或者矩形脉冲时,BFI与超声换能器上施加的电压(即超声的振幅)具有较好的线性相关性,BFI与超声频率之间的关系与换能器的频谱特性有关。本文的研究结果阐明了不同超声模式下ARF与血流变化之间的对应关系,将很大程度推动超声增强的DCS血流测量技术的发展。
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