计算生物医学超声学

生物医学超声学是声学与生物医学交叉而形成的重要领域。鉴于计算仿真技术在生物医学超声领域研究中的重要地位，西安交通大学生物医学超声课题组撰写了《计算生物医学超声学》。《计算生物医学超声学》简明、系统地介绍了计算生物医学超声学的概念和内涵，从治疗超声非线性声场、温度场、微泡动力学及非线性特性、超声成像前沿技术、超声微粒操控和空化等若干方面展开了系统深入的阐述，兼顾经典理论与新研究成果。

目 录
第1章 治疗超声的非线性声场1
1.1 引言1
1.2 非线性声场的理论基础与计算模型1
1.2.1 超声波传播的非线性特性1
1.2.2 理想流体中有限振幅声波的线性传播方程3
1.2.3 黏滞流体中有限振幅声波的非线性传播方程6
1.3 声波非线性传播分析14
1.3.1 时域波形畸变15
1.3.2 线性与非线性声压分布对比16
1.3.3 声波传播非线性变化提升组织热效应17
1.4 高强度聚焦超声非线性特性的影响因素18
1.4.1 换能器中心频率对非线性特性的影响18
1.4.2 超声波传播深度对非线性特性的影响19
1.4.3 传播介质的声衰减系数对非线性特性的影响20
1.5 本章小结20
主要参考文献21
第2章 治疗超声中生物组织温度场23
2.1 引言23
2.2 治疗超声中生物组织温度场的理论与计算23
2.2.1 生物组织中超声非线性传播模型23
2.2.2 治疗超声中生物组织内温升与热传导24
2.2.3 治疗超声中生物组织热剂量25
2.2.4 治疗超声中生物组织温度场计算流程26
2.3 治疗超声中软组织温度场27
2.3.1 治疗超声中软组织温度场模型27
2.3.2 肌肉与脂肪组织中温度场特性27
2.3.3 生物组织不同声衰减系数和热导率下的温度场特性29
2.3.4 不同超声换能器参数下生物组织温度场特性32
2.3.5 治疗超声中软组织热损伤特性35
2.4 治疗超声中含血管软组织温度场39
2.4.1 含血管软组织温度场模型39
2.4.2 不同血管直径下含血管软组织温度场特性41
2.4.3 不同血管位置下含血管软组织温度场特性42
2.4.4 不同血流速度时含血管软组织温度场特性43
2.5 治疗超声中骨-组织温度场44
2.5.1 治疗超声中腿骨-软组织界面温度场模型45
2.5.2 不同的腿骨与超声焦点相对位置下腿骨-软组织界面温度场特性46
2.5.3 不同超声作用参数下腿骨-软组织界面温度场特性49
2.5.4 经颅超声治疗中颅骨-脑组织温度场模型54
2.5.5 不同超声换能器参数下经颅治疗超声中颅骨-脑组织温度场特性56
2.6 本章小结59
主要参考文献59
第3章 单微泡振动与声散射62
3.1 引言62
3.2 超声场中单微泡振动理论建模与仿真62
3.2.1 超声场中微泡的线性和非线性特性62
3.2.2 无包膜自由微泡振动的理论模型64
3.2.3 包膜微泡振动的理论模型67
3.2.4 单微泡振动模型求解与散射回波计算分析70
3.3 不同微泡参数对微泡振动特性及回波特性的影响74
3.3.1 微泡初始半径对微泡振动特性及回波特性的影响74
3.3.2 微泡包膜厚度对微泡振动特性及回波特性的影响76
3.3.3 包膜弹性对微泡振动特性及回波特性的影响77
3.3.4 包膜黏性对微泡振动特性及回波特性的影响78
3.4 不同介质参数对微泡振动特性及回波特性的影响79
3.4.1 介质表面张力对微泡振动特性及回波特性的影响79
3.4.2 介质黏滞系数对微泡振动特性及回波特性的影响80
3.5 不同声场参数对微泡振动特性及回波特性的影响83
3.5.1 声驱动幅度对微泡振动特性及回波特性的影响83
3.5.2 声驱动相位对微泡振动特性及回波特性的影响85
3.5.3 激励频率对微泡振动特性及回波特性的影响87
3.5.4 声驱动脉冲个数对微泡振动特性及回波特性的影响90
3.6 本章小结92
主要参考文献93
第4章 黏弹性介质中的微泡动力学95
4.1 引言95
4.2 黏弹性介质中的微泡振动模型研究95
4.2.1 基于Maxwell力学模型的微泡振动研究95
4.2.2 基于Kelvin-Vogit力学模型的微泡振动研究98
4.3 黏弹性介质中微泡振动的Yang-Church模型100
4.3.1 Yang-Church模型的形成100
4.3.2 黏弹性介质中微泡振动的共振频率102
4.4 黏弹性介质中微泡振动特性分析102
4.4.1 激励声压对微泡振动特性的影响102
4.4.2 激励频率对微泡振动特性的影响103
4.4.3 微泡初始半径对微泡振动特性的影响104
4.4.4 介质表面张力对微泡振动特性的影响105
4.4.5 介质黏滞系数对微泡振动特性的影响105
4.5 黏弹性介质中的被动空化检测106
4.5.1 被动空化检测信号及频谱分析106
4.5.2 次谐波信号分析106
4.6 本章小结109
主要参考文献110
第5章 微泡群动力学与声散射111
5.1 引言111
5.2 理论基础及计算原理111
5.2.1 液体中双微泡模型及作用机制111
5.2.2 液体中微泡群模型构建113
5.2.3 声场中微泡群振动模型与声散射计算方法116
5.3 微泡间相互作用的Bjerknes力117
5.3.1 微泡初始半径和微泡间距对Bjerknes力的影响117
5.3.2 Bjerknes系数及其影响因素120
5.4 液体中微泡群的动力学特性123
5.4.1 微泡群模型的理论验证123
5.4.2 基于立方体和球体结构的微泡群动力学124
5.4.3 基于高斯分布的微泡群动力学126
5.5 液体中微泡群的声散射特性127
5.5.1 基于立方体结构的微泡群的声散射特性127
5.5.2 微泡数目、初始半径和微泡间距对微泡群声散射特性的影响129
5.6 本章小结131
主要参考文献132
第6章 波束合成与控制134
6.1 引言.134
6.2 常用超声波束合成技术135
6.3 超声自适应波束合成技术138
6.3.1 信号模型138
6.3.2 最小方差无失真响应法140
6.3.3 空间平滑技术141
6.3.4 稳健的波束合成技术144
6.4 改进的超声自适应波束合成技术144
6.4.1 特征空间自适应波束合成144
6.4.2 维纳自适应波束合成145
6.4.3 广义相干系数自适应波束合成146
6.5 聚焦波成像中的波束合成方法147
6.6 合成孔径成像中的波束合成方法151
6.7 平面波成像中的波束合成方法153
6.8 弱聚焦宽波束成像中的波束合成方法158
6.9 本章小结161
主要参考文献162
第7章 血管壁弹性模量重构164
7.1 引言164
7.2 弹性成像理论基础164
7.2.1 弹性力学基本理论164
7.2.2 弹性模量重构165
7.3 血管壁弹性模量重构有限元仿真170
7.3.1 血管壁弹性模量重构算法170
7.3.2 血管壁斑块模型的弹性模量重构171
7.3.3 弹性模量重构的评估和校正175
7.4 血管腔内超声（IVUS）成像的血管壁弹性重构177
7.4.1 实验材料和方法177
7.4.2 结果178
7.5 本章小结179
主要参考文献179
第8章 生物组织分数阶黏弹性测量与估计方法181
8.1 引言181
8.2 黏弹性理论及其应用181
8.2.1 整数阶黏弹性理论与模型181
8.2.2 分数阶黏弹性理论与模型184
8.3 黏弹性接触理论188
8.3.1 弹性接触理论基础188
8.3.2 黏弹性Boltzmann积分189
8.4 压痕试验192
8.4.1 试验材料制备192
8.4.2 松弛192
8.4.3 蠕变192
8.4.4 松弛和加载-卸载193
8.5 模型参数估计方法及参数物理意义193
8.5.1 模型参数估计193
8.5.2 KVFD模型参数物理意义197
8.6 本章小结198
主要参考文献198
第9章 基于稀疏表达模型的超声成像及GPU并行计算200
9.1 引言200
9.2 稀疏表达模型及GPU 并行计算200
9.2.1 稀疏表达模型及其应用201
9.2.2 稀疏表达的计算202
9.2.3 串行计算及并行计算204
9.2.4 基于GPU 的并行计算204
9.3 基于稀疏表达模型的波束合成205
9.3.1 超声成像的波束合成问题205
9.3.2 频域波束合成206
9.3.3 应用稀疏表达模型恢复波束207
9.4 基于稀疏表达模型的解卷积208
9.4.1 超声成像的解卷积问题208
9.4.2 联合稀疏表达模型提升超声图像的分辨率208
9.5 稀疏表达模型的结果与GPU并行计算的性能分析209
9.5.1 稀疏表达模型的建立及优化问题的求解209
9.5.2 稀疏表达模型在超声波束合成的应用212
9.5.3 稀疏表达模型在超声成像解卷积的应用212
9.5.4 GPU并行计算的实现与性能分析216
9.6 本章小结219
主要参考文献219
第10章 基于声辐射力的微球体操控221
10.1 引言221
10.2 基于声辐射力的微球体操控的理论基础222
10.2.1 声辐射力计算的基本原理222
10.2.2 驻波场中声辐射力的计算公式224
10.2.3 微球体与振动微泡在操控声场中的运动225
10.3 行波声场中微球体声辐射力的计算227
10.4 驻波声场中微球体声辐射力的计算228
10.4.1 微粒、微泡的声辐射力对比228
10.4.2 入射声束频率对声辐射力的影响231
10.4.3 微球体半径对声辐射力的影响233
10.5 超声驻波场中微球体运动规律的计算235
10.5.1 呈180°夹角入射的超声驻波场中微球体的运动过程235
10.5.2 呈120°夹角入射的超声驻波场中微球体的运动过程238
10.6 涡旋声场中的微球体声操控245
10.6.1 涡旋声场的研究历程245
10.6.2 圆周点声源涡旋声场的计算理论247
10.6.3 基于声涡旋的声辐射力和微粒操控249
10.6.4 涡旋声场中声操控过程的计算250
10.7 本章小结255
主要参考文献256
第11章 超声空化与声致液滴相变259
11.1 引言259
11.2 超声空化理论与计算原理259
11.2.1 成核机制259
11.2.2 振动过程264
11.2.3 坍塌过程266
11.3 声致液滴相变理论与计算原理267
11.3.1 声致液滴聚焦高次谐波相变机制268
11.3.2 声致液滴相变过程270
11.4 超声空化过程中的影响因素275
11.4.1 Blake阈值275
11.4.2 异质成核阈值275
11.4.3 空化坍塌阈值276
11.4.4 空化坍塌时间277
11.4.5 空化坍塌压力279
11.5