基于纳米力学的超声生物组织定征的理论和方法研究

Ultrasonic tissue characterization has become an international hot topic in acoustic research in recent years,which can reveal the law of sound propagation and physical mechanism in anisotropical biological tissues, therefore it is a basic research with strong background in applications.In this project，the nanomechanics will be used to study the sound propagation in biological tissue, which will reveale the non-continuous,non-homogeneous and multi-scale characteristics of the biological tissues.We will make a nanomechanics physical model to explain the experimental results of sound propagation in biological tissues,and use the nanomechanics parameters to characterize the normal and diseased tissues, which will pave a new way to quantitative, nondestructive ultrasonic characterization of biological tissues. The study will help us to deep understand the nature of the change of the sound parameters of ultrasonics in biological tissues and promote the further development of ultrasound technology.

生物组织的超声定征研究近年来成为国际声学界研究的热点，它能揭示声波在各向异性的生物组织中的声传播规律及物理机制，因此是一个具有很强应用背景的基础性的研究课题。本项目拟采用纳米力学的理论研究超声在生物组织中的声传播，揭示生物组织非连续，非均质和多尺度的特征，建立有效的纳米力学的物理模型来解释声波在生物组织中传播的实验结果；利用纳米力学的参量来表征正常和病变组织，为定量，无损超声组织定征开辟一条新的途径，对这些问题的深入研究将有助于我们更深入地理解超声在生物组织中声参量变化的物理本质，促进超声诊断技术的进一步发展。

在此国家自然基金的资助下，该项目进展顺利。我们按预定计划进行了以下研究工作：(1) 利用纳米力学对皮肤组织进行了超声定征：利用纳米力学方法，得出声波在多层皮肤组织中的波动方程。分别改变黑素瘤皮肤的泊松比、黑素瘤的侵袭厚度(Breslow 深度)、节间距离，计算了多层皮肤结构模型下，垂直入射纵声波的反射系数；计算了声速和声衰减系数随组织参数的变化。计算结果表明，可综合利用一定频率段内反射系数最小点数、声速和衰减系数的变化来表征正常皮肤和病变皮肤。(2) 研究了纳米力学中节间距离与声速和衰减的关系，当组织病变时，节间距离发生改变，使组织在不同频率下表现出不一样的声速，通过增大频率，可以使病变组织与正常组织间的声速差增大，进而更精确的对病变组织进行定征；而声衰减也会随着节间距离的增大而减弱，因此可通过对病变组织声速和衰减的高频成像来确定组织的节间距离的变化，从而判定组织的病变程度和微观结构，为超声组织定征研究提供了一种新的方法和手段。(3) 研究了生物组织中的声辐射力对组织定征的影响, 高斯波对球的声辐射力为例，利用声场的散射理论，分析讨论了各种边界条件对声场的散射作用，同时利用有限级数展开的方法，将高斯聚焦声波按照球函数展开，推导了声散射理论下，高斯声波对球型粒子的声辐射力函数，通过理论推导和数值分析，系统地研究了球形粒子在声场中的声辐射力特性。(4) 研究了组织在超声作用下的热效应及对组织的影响, 采用Spheroidal Beam Equation（SBE）方程获得了大张角聚焦换能器的声场和用Pennes 热传导方程研究了肋骨存在下的生物组织的温度场，分析了肋骨排布和肋骨各项参数对温度场分布的影响，在数值仿真的基础上进行了相应的实验验证。本项目共发表论文25篇， 其中SCI收录13篇，获得国家发明专利1项，申请国家发明专利2项。培养博士后1名，培养博士研究生2名，其中1名博士生已毕业，培养硕士研究生18名，其中9名硕士生已毕业。