雙層組織中聚焦超聲聲、熱場(chǎng)分布及其物性分析.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU, High-Intensity Focused Ultrasound)技術(shù)，作為一種腫瘤的無創(chuàng)治療技術(shù)，已成為醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。不論是對(duì)于腫瘤治療本身，還是對(duì)于制訂超聲治療設(shè)備安全性標(biāo)準(zhǔn)而言，計(jì)算聲場(chǎng)分布，進(jìn)而給出熱場(chǎng)分布是非常重要的。換能器特性和生物組織特性是影響聲場(chǎng)的兩大方面因素。一般而言，通過對(duì)換能器表面進(jìn)行瑞利(Rayleigh)積分，獲得聲場(chǎng)分布。出于簡(jiǎn)化計(jì)算及提高計(jì)算速度的考慮，生物組織被假定

2、為單一、均勻組織，具有相同的聲物性和熱物性。計(jì)算過程中聲波在組織交界面發(fā)生的反射和折射被忽略。但是對(duì)于高強(qiáng)度聚焦超聲而言，其升溫快，為保證治療安全對(duì)聚焦精度要求高，計(jì)算聲場(chǎng)時(shí)，需要考慮聲波在不同組織界面發(fā)生的反射和折射，以制定有效的治療方案保證治療效果和安全性。有效治療區(qū)域及焦點(diǎn)的溫度測(cè)量是治療的關(guān)鍵因素。生物組織吸收聲能轉(zhuǎn)化為熱能，聲能量的分布是決定熱場(chǎng)分布的重要因素之一。除此之外，生物組織本身的熱物性，例如熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容也是決定熱

3、場(chǎng)分布的重要因素。雙層組織之間的熱物性差異會(huì)直接影響溫度的分布。與有損測(cè)溫、無損測(cè)溫相比，理論模擬計(jì)算測(cè)溫可以給出更多的信息，幫助術(shù)前治療計(jì)劃的制定，并且?guī)椭袛嘀委熯^程中溫度的分布。同時(shí)，能夠利用理論模擬計(jì)算分析生物組織本身熱物性對(duì)于溫度分布的影響。
　　 本文首先利用瑞利積分、偽逆矩陣算法計(jì)算單層組織聲場(chǎng)分布。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算高強(qiáng)度聚焦超聲在雙層生物組織中的聲場(chǎng)分布。分析單焦點(diǎn)模式下雙層組織阻抗的差別引起的反射折射對(duì)聲場(chǎng)分布

4、的影響。
　　 其次，本文以聚焦超聲作為熱源，通過有限元法求解Pennes方程，建立單層生物組織模型，計(jì)算聲吸收系數(shù)對(duì)于熱能分布的影響。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算雙層生物組織溫升，改變生物組織的熱傳導(dǎo)率及熱容，在焦點(diǎn)聚焦在模型不同位置情況下，分析其對(duì)溫度分布的影響。
　　 最后，本文利用實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)開發(fā)的相控HIFU系統(tǒng)及水聽器法聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行離體組織實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)說明組織厚度、組織聲衰減系數(shù)及聲波在雙層組織界面發(fā)生的反射折射