仿体中超声空化效应的B超图像处理

0引言使用高强度聚焦超声(HIFU)照射组织,将产生声空化现象。在声空化过程中,声场能量于空化气泡内高度集中,当能量积累到一定阈值后,空化气泡瞬间崩溃。在气泡崩溃的瞬间能量会释放出来,形成局部的高温、高压、强冲击波等极端物理现象[1]。这将使周围的组织细胞遭到损伤。因此,对HIFU空化的监控显得尤其重要[2]。本文主要研究不同脉冲宽度的高强度聚焦超声(HIFU)在体外仿体中引起的空化气泡群面积随时间的变化。从而实现对HIFU空化的实时监控。     

水下近距爆炸作用下弹性钢板处的空化特性研究

弹性钢板在水下近距爆炸作用下,冲击波会使其附近流体形成局部空化,脉动气泡会使流体形成锥形空化。利用平面冲击波理论对局部空化的形成特性进行了研究,理论分析了结构目标尺度的变化对空化区域形成的影响,并通过具体试验对局部空化理论进行了验证,两者符合较好;通过试验和数值仿真方法研究了气泡脉动引起的锥形空化的形成特点,初步分析了锥形空化的形成原因。结果表明,锥形空化对结构具有较大的冲击作用。     

高强度聚焦超声治疗的实时被动空化检测系统及其实验研究

高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）所致空化效应在临床应用中扮演着重要角色,对HIFU临床治疗过程中的空化活动进行实时监测,结合数据分析与治疗过程中实时反馈,可进一步提高HIFU治疗的安全性和有效性。在现有HIFU临床治疗系统的基础上,将两个被动空化检测探头与HIFU换能器集成。在Matlab环境下开发了独立的上位机控制系统,基于以太网通信和虚拟仪器技术,实现了上位机的自动测试,融合被动空化检测系统与HIFU临床治疗系统,对空化所致声发射信号进行实时监测。通过HIFU辐照离体组织实验对该系统进行了测试验证,各种声功率条件下的超声辐照离体组织监测过程中,次谐波幅值与宽带噪声的均方根被实时可视化,用于监测空化的发生;次谐波与宽带噪声均方根的积分曲线斜率用于表征组织焦域处的相对空化强度。实验结果表明,该系统可满足临床治疗过程中对空化活动进行实时监测和数据分析处理的需求,为深入研究实际临床治疗中空化效应和实时反馈提供了一种有力的研究手段。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20~1/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2~1。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20¹/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/21/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2¹。     

枪虾夹螯的结构特性、运动特性与射流聚焦机理研究

枪虾利用空化气泡破裂产生的压力脉冲进行捕猎,其夹螯产生空化射流具有高能聚焦的特点。研究夹螯结构对射流的聚焦机理和影响规律,对于探索空化效应、研发仿生空化装置等具有重要的意义。利用CT扫描技术和高速摄影技术,通过研究夹螯的结构特性、运动特性,揭示了枪虾夹螯的运动规律;结合CFD仿真模拟空化射流的产生过程和流场状态,阐述夹螯结构对射流的聚焦作用机理;对不同结构尺寸的囊腔凹槽进行仿真,分析了凹槽大小对射流的影响。结果表明,枪虾夹螯的凹槽结构会对射流产生聚焦效应,且当凹槽尺寸约为0.15 mm时具有最优的射流聚焦效果。     

PMT水下内爆冲击波强度与传播特性研究

为研究光电倍增管(PMT)水下内爆后产生的冲击波强度及其传播特性,首先以气泡动力学、气泡破裂动力学理论为基础分析了球形气泡溃灭时长与气泡破裂回弹阶段冲击波传播特性,指出了真空容器水下内爆与气泡溃灭物理过程的相似性和特殊性。建立了水下气泡溃灭数值仿真计算模型,通过与文献实验结果和理论结果的对比验证了数值计算方法的可行性。最后以实际工作环境为基础对PMT水下内爆过程进行了数值模拟,分析了PMT外形尺寸对冲击波传播特性的影响,确定了PMT水下内爆的冲击波强度,为PMT防爆工作提供了针对性的参考。     

水下平面爆炸冲击作用下空化区域形成及其特征

在水下平面冲击波基本理论基础上,导出在弱冲击波条件下,平面冲击波的空化深度和空化区域高度计算模型.利用LS-DYNA有限元程序对空化区域的密度和速度等特征进行了数值模拟分析.     

不同空化程度下离心泵流固耦合特性研究

针对离心泵空化下流固耦合问题,采用完全空化和气液两相模型,对离心泵空化进行了数值模拟计算,结合单向耦合计算方法求解了不同空化程度下转子系统的变形。分析了空化时叶轮上气泡、静压、液体相对速度分布情况以及蜗壳内部压力脉动和叶轮径向力特性,研究空化对离心泵内部流场和对转子系统变形的影响。结果表明,叶片吸力面较压力面的气泡体积和气泡区更大;随着空化的发展叶轮静压分布越不均匀;严重空化时叶轮上的气泡会堵塞流道,引起脱流现象,生成漩涡;空化导致压力脉动增强,径向力分布不规律;空化影响了离心泵转子系统的变形,空化引起的漩涡造成叶轮非轴对称变形。     

水下钻孔爆破冲击波下桥墩的动态响应及防护分析

利用数值模拟方法以及现场监测技术,结合砖灶子水下炸礁项目,研究了水下钻孔爆破水中冲击波对桥墩的影响以及防护,对水中冲击波作用下桥墩结构的动态响应以及气泡帷幕的削减效果进行对比分析,并结合现场监测数据,对李家沱大桥的动态响应以及安全状态做出评价。研究发现:桥墩结构对水中冲击波的动态响应在桥墩中部及桥趾部位较大,且迎爆面的响应大于背爆面,测量点的速度与加速度响应最大值均出现在水平径向,然后是垂直方向和水平切向;气泡帷幕对于水中冲击波的削减效果良好,且距离保护对象5 m时效果最佳。运用气泡帷幕防护及现场监测指导施工,使得李家沱大桥处于安全状态下。     

超声空化对溴化锂溶液气泡运动的影响

根据溴化锂溶液的物性参数方程,利用试验数据和超声作用于均相液体中空化气泡运动的动力学模型,推导出溴化锂溶液超声空化气泡运动方程。利用MATLAB对溴化锂溶液超声空化气泡的运动特性进行数值模拟,对过冷沸腾和饱和沸腾条件下溴化锂溶液沸腾气泡的运动变化特性进行研究,得到超声空化效应对气泡运动特性变化影响的模拟结果。为溴化锂溶液传热性能和吸收式制冷机组制冷效率的提高提供一定的理论依据。     

电火花-超声复合技术制备镍微米空心球的研究

采用电火花-超声复合技术,以电火花放电过程裂解及超声空化效应所产生的气泡为模板制备微米金属空心镍球,通过扫描电子显微镜、真密度比重仪、振实密度仪、豪斯纳比等对镍微粒在气泡球面的生长过程、镍空心球的成型机理和不同镍空心球的成型原因进行分析和研究,阐述了基于液相基底表面金属薄膜理论的空心球成型过程,并且着重研究超声对颗粒的空心率、微球形貌及微球流动性的影响。结果表明超声的加入使镍空心球的空心率提高10%~20%,改善了颗粒的流动性。     

基于层约束叶片的核主泵空化特性与动力学特性研究

为研究瞬态空化工况下CAP1400核主泵动力学特性,基于层约束设计方法对叶轮叶片进行优化设计,使得产生在后盖板附近的气泡不至快速向前盖板方向发展,即将汽泡发展约束至不同层内。基于雷诺平均动量方程和SST k-ω湍流模型,通过CFX软件对核主泵空化瞬态过程进行定常和非定常数值计算,得到最优层约束叶片模型和空化发展过程中叶轮的瞬态轴向力与径向力变化,对时域信号进行快速傅里叶得到轴向力与径向力的频域特性。模拟结果分析表明:层约束叶片设计能够有效提升泵在小流量工况时的水力效率,而保持其在额定工况区域水力效率基本不变;空化瞬态过程叶轮所受轴向力指向叶轮进口,受空化汽泡带来的叶片表面压力差变化的影响较大;叶轮瞬态径向力合力周向分布规律不受空化程度的影响,而与泵本身的运行状态有关;核主泵在低频范围内径向持续振动明显强于轴向振动,且伴随空化的加剧愈加显著。     

带球壳微泡和空化气泡的超声特性研究

在临床应用中,微泡在低频超声作用下能比较成功地导致微血管的栓塞,从而切断对肿瘤的供血来达到杀灭肿瘤的目的,而通过实验的手段来获得其微泡的超声散射特性十分困难。根据经典的微泡模型,应用范德瓦耳斯绝热方程来进行修正,分别对带球壳微泡和空化气泡建立模型,模拟其运动过程,并对两种微泡的散射特性进行了分析与比较,研究了不同驱动声场的频率和微泡初始平衡半径对微泡运动的影响。结果表明,带球壳微泡在微泡初始平衡半径大于2.2μm时较空化气泡有较好的散射特性,其最大散射压力和散射截面随着频率的增大而减小,带球壳微泡在散射特性方面的优势使其能更有效地进行超声治疗和成像,为超声造影剂等微泡的研究和应用提供了理论指导。     

港口水下爆炸荷载冲击特性研究

采用数值仿真方法研究港口水下爆炸荷载的冲击特性,并与经验公式及实验结果比较验证数值模拟方法的正确性;分析水下爆炸冲击波传播过程与气泡膨胀规律。研究表明,港口水下爆炸气泡膨胀荷载不可忽略,由比冲量知,大部分区域气泡膨胀荷载大于冲击波荷载;自由水面对冲击波荷载与气泡膨胀荷载均影响较大,越接近水面二者比冲量越小,气泡膨胀荷载衰减越快,在水面附近其冲量甚至会小于冲击波荷载。水底对气泡膨胀荷载影响不大,而对冲击波荷载影响较大。受水底反射波影响,冲击波作用时间缩短,导致比冲量迅速减小。水底有淤泥层时,冲击波在泥层与水体交界面反射不显著,水底反射冲击波主要来自泥层底部与岩石层分界面。     

高液压水体中近壁面空化气泡坍塌的动力学特性研究

基于6方程多相流模拟理论并结合Keller-Miksis方程半解析解进行对比验证，建立了适用于研究高液压水体中近壁面空化气泡坍塌问题的数值模型。选取周围水体p_∞=10⁶ Pa、p_∞=10⁷ Pa、p_∞=10⁸ Pa三种高液压工况以及S=0.1R₀、S=0.4R₀、S=0.7R₀、S=1.1R₀四种空化气泡与壁面之间间距工况对高液压水体中近壁面空化气泡坍塌的动力学特性进行系统探究。结合数值纹影、压力场无量纲化等后处理技术，对不同组合工况下空化气泡坍塌演变、压力波生成与传播以及壁面径向原点位置压力峰值进行了详细地对比分析，并深入揭示了周围水体液压以及气泡与壁面之间间距对于近壁面空化气泡坍塌动力学特性的影响规律和内在机理。     

水下射弹自然超空泡减阻特性的数值模拟

基于均质平衡多相流理论,采用Fluent6.3对水下射弹自然超空泡减阻特性进行了数值模拟。研究了空化数对水下射弹空泡闭合部位和阻力系数的影响,重点分析了水下射弹结构参数对自然超空泡减阻特性的影响,得到了空化器直径、模型长细比和不同尾部形状对水下射弹超空泡减阻特性影响的规律。数值模拟结果表明:随着空化器直径的增大,自然超空泡较易形成,但其减阻能力有所降低;随着长细比的增大,自然超空泡较难形成,但形成超空泡后,不同长细比模型的阻力系数基本一致;尾部形状只影响尾部空泡的发展过程,当尾部被空泡包裹后,模型的自然超空泡形态和阻力系数基本一致。     

装药壳体对含铝炸药水下爆炸性能影响研究

针对某含铝炸药,分别在6 mm钢壳、硬铝壳、PVC壳及裸药柱形装药条件下进行水下爆炸实验,测量3 m,5 m,7 m处冲击波压力时程曲线,获得不同装药条件下冲击波的峰值、冲量、能量及气泡脉动周期和气泡能等参数。利用AUTODYN-2D程序,对带壳装药含铝炸药水下爆炸过程进行数值模拟,通过与实验测量结果对比,验证数值仿真方法和结果的准确性。在此基础上,结合量纲分析与数值模拟方法研究填装比对冲击波波形、压力峰值及气泡脉动周期的影响规律。研究表明：填装较小时,冲击波压力峰值与冲击波能均增大;填装较大时,压力峰值与冲击波能均减小;气泡脉动周期随填装比的增加而减小;在钢壳装药下,最优填装比为1.45。有限元模型与计算结论可为水中兵器设计提供一定参考。     

体外震波粉碎肾结石机理

体外源震波粉碎肾结石的物理机制有两种解释,一种是认为肾结石的结构具有抗压力强于抗拉力约一个数量级,所以冲击波的负压部分将对于肾结石粉碎起主要作用。另一种解释认为空化是粉碎肾结石的原因。稳态空泡内压力当气泡半径最小时已高达100巴,而瞬态空化当气泡破碎时可以产生比稳态时高几个数量级的高压,在结石面将有高速射流指向石块,造成石块的破碎。这样也会同时使邻近的软组织受到程度不同的损伤。因此可能出现一些血尿现象。依据我们对气泡在水下作非线性振动分析可知,冲击波中低频分量较之高频分量更易于导至空化,所以为了减少低频分…     

准实时高强度聚焦超声背向散射积分监控成像

提出一种基于超声背向散射积分(IBS)参数估计的减影成像方法,用于检测高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中的组织损伤.在构建的HIFU/B超准实时治疗监控成像系统上,进行了离体猪肝组织实验.得到了不同组织深度下,IBS值随治疗时间的增加而变化的情况,以及不同治疗时间的IBS减影图像.比较了两种获得减影图像的方法,讨论了空化效应对IBS值的影响.此外还采用了一种双向彩色编码模式用以识别组织运动伪像.结果表明,IBS值能够较好地检测组织的损伤,还能一定程度地反映空化效应的情况,采用时间相邻的序列减影图像的叠加所获得的减影图像效果较好,双向彩色编码模式能够较有效地识别组织运动伪像.