高強(qiáng)度聚焦超聲焦域溫度場(chǎng)特性的數(shù)值仿真研究.pdf

1、目的：高強(qiáng)度聚焦超聲(HighIntensityFocusedUltrasound，HIFU)腫瘤治療技術(shù)是超聲換能器發(fā)出的超聲波，在超聲聚焦裝置的作用下形成高強(qiáng)度超聲能量的焦點(diǎn)區(qū)域，使腫瘤組織吸收焦點(diǎn)區(qū)域高強(qiáng)度超聲能量，在短時(shí)間內(nèi)溫度升到60℃以上(60℃以上的焦點(diǎn)區(qū)域稱為可治療焦域)而發(fā)生凝固性壞死的治療技術(shù)。該技術(shù)因具有有效、微創(chuàng)傷、能量深入深部組織等優(yōu)點(diǎn)，成為眾多研究者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)并應(yīng)用于臨床腫瘤治療中?，F(xiàn)有的HIFU腫瘤治

2、療系統(tǒng)對(duì)于焦點(diǎn)區(qū)域溫度的監(jiān)控以及治療效果的實(shí)時(shí)檢測(cè)問(wèn)題都沒(méi)有得到很好的解決，使HIFU腫瘤治療系統(tǒng)的可靠性和安全性不能保障，臨床治療中常出現(xiàn)皮膚燒傷、神經(jīng)損傷、靶區(qū)腫瘤組織殘留等并發(fā)癥，極大地限制了HIFU腫瘤治療系統(tǒng)的應(yīng)用。本論文通過(guò)數(shù)值仿真高強(qiáng)度聚焦超聲傳播過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化，研究不同換能器陣元激勵(lì)函數(shù)、不同治療劑量以及生物組織血流灌注對(duì)焦點(diǎn)區(qū)域溫度場(chǎng)、焦點(diǎn)區(qū)域位置、形狀和大小等的影響，為高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療臨床治療可靠性提高，治

3、療計(jì)劃制定提供技術(shù)參數(shù)和技術(shù)方法。 方法：本研究基于森田長(zhǎng)吉等人提出的高強(qiáng)度超聲波非線性傳播時(shí)域有限差分仿真法之上，結(jié)合Pennes熱傳導(dǎo)方程提出了人體組織內(nèi)溫度分布的時(shí)域有限差分仿真方法；并以人體乳房為例建立三維數(shù)值仿真模型，進(jìn)行數(shù)值仿真人體乳房組織內(nèi)高強(qiáng)度聚焦超聲非線性傳播過(guò)程中組織的溫度分布。 結(jié)果：仿真結(jié)果表明高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療過(guò)程中，經(jīng)過(guò)單次照射后，隨著超聲波的聚焦傳播，焦點(diǎn)區(qū)域組織溫度不斷上升，最后維持一

4、定的溫度值不變化；皮膚組織溫升比皮下脂肪組織和水體溫升高；聚焦形成的實(shí)際焦距與設(shè)備的幾何焦距有一定的差異。在換能器工作頻率、平均輸入聲強(qiáng)和連續(xù)照射時(shí)間相同而陣元激勵(lì)函數(shù)不同條件下，水、皮膚和表淺脂肪組織中形成溫度分布基本相同，而在焦點(diǎn)區(qū)域明顯不同；換能器工作頻率、平均輸入聲強(qiáng)及連續(xù)照射時(shí)間等不同治療劑量的選擇均會(huì)導(dǎo)致皮膚及焦點(diǎn)區(qū)域各處溫度場(chǎng)的變化：生物組織的血流灌注對(duì)HIFU焦區(qū)溫度的溫升和形成焦點(diǎn)區(qū)域的大小、位置亦有較大的影響。

5、 結(jié)論：本論文以乳房為例建立三維數(shù)值仿真模型，并利用FDTD仿真方法研究高強(qiáng)度聚焦超聲溫度場(chǎng)變化以及不同陣元激勵(lì)函數(shù)、不同治療劑量以及生物組織血流灌注對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲焦點(diǎn)區(qū)域溫度場(chǎng)的影響。結(jié)論如下： (1)對(duì)于壓電陶瓷陣元，整合層的加入與否，一般不會(huì)改變60℃以上可治療區(qū)域的大小。但是加入整合層后，焦點(diǎn)區(qū)域中心溫度低于未加整合層時(shí)的焦點(diǎn)區(qū)域中心溫度。皮膚處溫度基本相同。 (2)在相同輸入聲強(qiáng)和照射時(shí)間條件下，隨著頻率的

6、增高，焦距變小，60℃以上可治療區(qū)體積變小，焦區(qū)最高溫度升高的同時(shí)皮膚處的溫度也升高，40"C～45℃的區(qū)域相應(yīng)增大。 (3)當(dāng)頻率和照射時(shí)間一定時(shí)，隨著輸入聲強(qiáng)的增加，可治療焦區(qū)的體積增大，40℃～60℃的區(qū)域也增大，皮膚處的溫度明顯升高；同時(shí)皮膚處40℃～45℃的區(qū)域由聲軸向兩邊擴(kuò)展，面積增大。但焦距保持不變。 (4)在相同頻率和輸入聲強(qiáng)的條件下，隨著照射時(shí)間的增加，可治療焦點(diǎn)區(qū)域的體積增大，40℃～45℃的區(qū)域也明