高強(qiáng)度聚焦超聲聲場(chǎng)的時(shí)域有限差分法仿真研究.pdf

1、目的:高強(qiáng)度聚焦超聲(High-intensity Focused Ultrasound,HIFU)治療技術(shù)具有非侵入性、微創(chuàng)傷等優(yōu)點(diǎn),已成為眾多研究者關(guān)注和研究的熱點(diǎn),并應(yīng)用于體外沖擊波碎石療法(Extracorporeal shock wave lithotripisy,ESWL)、HIFU腫瘤治療等臨床治療之中。但這些治療中都有可能引發(fā)并發(fā)癥,如體外沖擊波碎石治療中可能出現(xiàn)尿血、腎血腫、腎破裂等,HIFU腫瘤治療中可能引起皮膚燒傷

2、、神經(jīng)損傷等對(duì)人體正常組織的傷害。影響HIFU療法療效和引發(fā)這些并發(fā)癥的主要因素之一為高強(qiáng)度超聲波聚焦傳播過程中,在人體內(nèi)形成的焦點(diǎn)區(qū)域位置、形狀、大小、聲壓分布和焦點(diǎn)前淺層區(qū)域能量分布。研究HIFU治療中形成的焦點(diǎn)區(qū)域、能量密度分布及人體組織對(duì)焦點(diǎn)區(qū)域聲壓、實(shí)際形成焦點(diǎn)位置的影響,為ESWL治療計(jì)劃的制定提供理論依據(jù)；研究降低焦點(diǎn)前非靶區(qū)能量密度和提高聚焦效率的聚焦方法,為目前ESWL治療、HIFU腫瘤治療中對(duì)人體正常組織傷害的解決提

3、供新途徑和方法。
　　 方法:森田長(zhǎng)吉等人提出了時(shí)域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)超聲波非線性傳播的仿真方法,并以Reichenberger的ESWL水中實(shí)驗(yàn)為例,對(duì)水體內(nèi)高強(qiáng)度超聲波非線性傳播進(jìn)行了仿真研究,得到了與實(shí)驗(yàn)測(cè)得波形完全一致的仿真結(jié)果。
　　 本論文利用森田長(zhǎng)吉等人提出的高強(qiáng)度超聲波非線性傳播的FDTD仿真方法,以Reichenberger的ESWL水中實(shí)驗(yàn)

4、為例,(1)參照實(shí)際人體組織結(jié)構(gòu)建立單一人體組織和復(fù)合人體組織仿真模型,研究ESWL治療過程中超聲波在人體組織內(nèi)非線性傳播特性和人體組織對(duì)超聲波聚焦傳播所形成的焦點(diǎn)區(qū)域位置、大小、形狀、聲壓分布影響。(2)研究解決ESWL治療和HIFU腫瘤治療過程中并發(fā)癥問題,應(yīng)用FDTD仿真的方法,研究并提出一種可以減小淺層區(qū)域能量密度和提高超聲能量向焦點(diǎn)聚焦效果的新型相位控制圓環(huán)狀聚焦方法。
　　 結(jié)果:
　　 1.以Reichen

5、berger的ESWL水中實(shí)驗(yàn)為例,建立水體仿真模型進(jìn)行仿真,仿真得到ESWL治療中在三維空間上所形成的焦點(diǎn)區(qū)域近似為橄欖球體,但其所形成的焦距(最大聲壓位置)與設(shè)備的幾何焦距并不一致。
　　 2.在Reichenberger水體實(shí)驗(yàn)仿真模型的基礎(chǔ)上,加一定厚度人體脂肪或肌肉組織建立仿真模型,討論不同厚度的不同人體組織對(duì)所形成焦點(diǎn)區(qū)域、最大聲壓、焦距的影響。仿真結(jié)果表明,最大聲壓隨脂肪厚度增厚而增大,隨肌肉增厚而減??；焦距隨人體

6、脂肪和肌肉厚度增加而減?。恍纬傻拈蠙烨蝮w狀焦點(diǎn)區(qū)域的長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)度隨脂肪厚度的增厚變小,隨肌肉厚度增厚長(zhǎng)軸增大,短軸變化不大。
　　 3.參照ESWL臨床治療時(shí)B超圖像顯示的人體結(jié)構(gòu)層次及厚度,建立包括皮下脂肪、肌肉、腎周脂肪、腎臟的復(fù)合人體組織仿真模型,數(shù)值仿真ESWL治療過程中超聲波非線性傳播過程。仿真結(jié)果為焦距為118.94mm,其值小于幾何焦距120mm,最大聲壓34.19MPa,其值小于水中實(shí)測(cè)聲壓44.56MPa。

7、r>　　 4.提出新型相位控制環(huán)狀聚焦方法,其FDTD方法數(shù)值仿真結(jié)果表明,在陣列陣元相同條件下,圓環(huán)聚集法在焦點(diǎn)處獲得的最大能量密度比相控點(diǎn)聚焦法高大約30％,但焦點(diǎn)前的非靶區(qū)域的最大能量密度相同；如在焦點(diǎn)處獲得的最大能量密度相同的條件下,圓環(huán)聚集法在焦點(diǎn)前的斷面上的最大能量密度比點(diǎn)聚焦下降大約10％。
　　 結(jié)論:本論文的仿真研究是以Reichenberger水中實(shí)驗(yàn)為例建立水體模型和含有人體組織的模型,利用FDTD法數(shù)值

8、仿真法研究了高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中的所形成焦點(diǎn)區(qū)域以及最大聲壓、焦點(diǎn)位置,焦點(diǎn)區(qū)域的大小以及隨人體組織厚度變化的規(guī)律,為ESWL臨床治療計(jì)劃的制定提供理論依據(jù)；同時(shí)提出了一種可以降低焦點(diǎn)前非靶區(qū)能量密度和提高聚焦效率的圓環(huán)狀聚焦方法,改聚焦方法的提出為目前ESWL治療、HIFU腫瘤治療中對(duì)人體正常組織傷害的解決提供新途徑和方法。本研究建立的仿真模型,僅以規(guī)則無方向性差異組織的設(shè)定條件下進(jìn)行仿真研究,與實(shí)際人體組織結(jié)構(gòu)、組織的特性仍有一