超聲熱療在腫瘤治療中的溫度場研究.pdf

1、惡性腫瘤是危害人類健康的嚴(yán)重疾病，在臨床實(shí)踐中其治療手段仍主要依靠手術(shù)切除、放射治療、化學(xué)療法、生物療法、激光燒、冷凍等等。這些在臨床實(shí)踐中均有一定的局限性。近幾十年來，隨著超聲波廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超聲熱療在臨床中越來越成為治療腫瘤的一種有效方法。超聲能是一種機(jī)械能，在組織中傳播時(shí)部分能量被組織吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽菇M織溫度升高。超聲作用形成熱的主要原因可能有三方面： (1)超聲振動(dòng)能在通過媒質(zhì)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變；(2)媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)有周期性緊

2、縮，以致引起中心溫度增高，這種中心溫度增高發(fā)生超聲波的壓縮位相中； (3)在不同組織的分界部分形成，由于組織分層介質(zhì)聲阻抗不同，將產(chǎn)生反射，形成駐波，引起分子間相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦而形成熱，那時(shí)在與駐波波腹相應(yīng)的點(diǎn)中就有局部溫度升高。在這些因素中介質(zhì)的吸收是熱形成的主要因素。不同組織對聲的吸收是不相同的，產(chǎn)熱也不相同。吸收與介質(zhì)的內(nèi)摩擦、熱傳導(dǎo)以及分子結(jié)構(gòu)等有關(guān)。這三種因素決定著吸收系數(shù)的大小。 腫瘤的超聲熱療近幾年越來越受到臨床治

3、療的重視。熱效應(yīng)對腫瘤組織的破壞作用是超聲治療腫瘤的主要機(jī)制之一。腫瘤壞死的臨界溫度為42.5～43℃，高能聚焦超聲治療(HIFU)是通過B超診斷系統(tǒng)尋找治療目標(biāo)(腫瘤)，并將目標(biāo)移至輻射期焦點(diǎn)處，發(fā)射超聲波在焦點(diǎn)處形成強(qiáng)聲場使該處組織升溫達(dá)到腫瘤壞死溫度，從而實(shí)現(xiàn)治療目的。從目前治療情況來看，有效率明顯，并與化療配合，降低了化療劑量，減輕了毒副反應(yīng)，又提高了治療效果。 超聲熱療在治療過程中通常伴隨有副作用，超聲熱療的副作用主要

4、有加溫表面的灼熱感、疼痛、燙傷(紅斑、水泡以及潰瘍)和骨性疼痛等。骨性疼痛是常見的副作用，也是影響熱療滿負(fù)荷加溫的主要限制因素；超聲加熱的另一副作用是皮膚表面過熱，醫(yī)療中通常采用了的適當(dāng)調(diào)整水囊內(nèi)水量的方法，使皮膚表面燙傷(水泡)的發(fā)生率降為最低。為了充分利用超聲熱療，在治療的過程中也應(yīng)考慮超聲熱療的副作用，使超聲熱療達(dá)到最大效用。 由此可見超聲熱療的關(guān)鍵是溫度的控制和測量，在溫度的測量中多用無損檢測。超聲無損測溫主要是由于溫度

5、的改變而引起聲速的改變，按照測溫實(shí)現(xiàn)方式將超聲無損測溫方法分為以下幾類：反射超聲法；透射超聲法；有限元法；超聲圖像分析法。在各種各樣的超聲無損測溫技術(shù)中，利用反射超聲進(jìn)行處理的占大多，這與其容易在臨床進(jìn)行人體試驗(yàn)有關(guān)。常用的方法有超聲回波時(shí)移法、超聲回波頻移法、超聲回波能量法、超聲回波時(shí)頻圖分割法、超聲聲速非線性參數(shù)法。超聲熱療目前被認(rèn)為是一種非侵入性有前途的，最有效的一種加熱治癌方法。但超聲熱療仍有一些不足，主要有以下幾方面關(guān)鍵問題需

6、要解決： (1)可變聚焦問題：不同臟器的腫瘤部位不同，深度不同，同一臟器也因人而異，聚焦可調(diào)得換能器可以適用于不同部位，不同病人的腫瘤加熱。 (2)臨床無損測溫：目前常見的無損測溫的方法有：反射超聲法、透射超聲法、有限元法、超聲圖像分析法。各種無損超聲測溫法發(fā)展很快但還沒有一種能完全用于臨床，其方法的改進(jìn)還有待進(jìn)一步提高。 (3)進(jìn)一步減小副作用和鞏固療效：與外科手術(shù)、化療、放療等方法相比，超聲的副作用要小得多，

7、但是由于腫瘤本身的多中心生長，無明顯邊界以及癌細(xì)胞增殖快等特點(diǎn)，使局部治療仍有可能傷害小范圍的正常組織，并引起全身癥狀。所以減少超聲治癌的副作用也是有待研究的內(nèi)容之一。 本文主要目的是分析超聲探頭升溫的主要原因，利用數(shù)值模擬得出各種換能器參數(shù)對超聲探頭產(chǎn)生溫度的影響和溫度與各種參數(shù)的直觀圖像。利用超聲波照射肝組織使其溫度升高，同時(shí)提取超聲回波信號，分析溫度和時(shí)間的關(guān)系，對溫度和時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了定量的分析，得出溫度和時(shí)間的直觀圖像

8、。為此本文主要做了如下幾方面的研究工作： 通過溫度與時(shí)間，頻率，頻譜的關(guān)系來用不同單頻率的超聲照射，觀察頻率與組織升溫的關(guān)系并測量組織的溫度；用不同雙頻率照射觀察頻率與組織升溫的關(guān)系并測量組織的溫度；找到單頻照射與雙頻照射對組織升溫的區(qū)別。 (1)構(gòu)建不同的組織溫度測溫模型，討論各種組織模型的優(yōu)缺點(diǎn)，找到適合臨床應(yīng)用的溫度測溫模型。 (2)根據(jù)生物各相同性生物組織中的熱傳導(dǎo)方程通過計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算生物組織的溫度分布