高強度聚焦超聲聲場的時域有限差分法仿真研究.pdf

1、目的:高強度聚焦超聲(High-intensity Focused Ultrasound,HIFU)治療技術具有非侵入性、微創(chuàng)傷等優(yōu)點,已成為眾多研究者關注和研究的熱點,并應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、、神經損傷等對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度超聲波聚焦傳播過程中,在人體內形成的焦點區(qū)域位置、形狀、大小、聲壓分布和焦點前淺層區(qū)域能量分布。研究HIFU治療中形成的焦點區(qū)域、能量密度分布及人體組織對焦點區(qū)域聲壓、實際形成焦點位置的影響,為ESWL治療計劃的制定提供理論依據；研究降低焦點前非靶區(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:森田長吉等人提出了時域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)超聲波非線性傳播的仿真方法,并以Reichenberger的ESWL水中實驗為例,對水體內高強度超聲波非線性傳播進行了仿真研究,得到了與實驗測得波形完全一致的仿真結果。
　　 本論文利用森田長吉等人提出的高強度超聲波非線性傳播的FDTD仿真方法,以Reichenberger的ESWL水中實驗

4、為例,(1)參照實際人體組織結構建立單一人體組織和復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非線性傳播特性和人體組織對超聲波聚焦傳播所形成的焦點區(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聚焦效果的新型相位控制圓環(huán)狀聚焦方法。
　　 結果:
　　 1.以Reichen

5、berger的ESWL水中實驗為例,建立水體仿真模型進行仿真,仿真得到ESWL治療中在三維空間上所形成的焦點區(qū)域近似為橄欖球體,但其所形成的焦距(最大聲壓位置)與設備的幾何焦距并不一致。
　　 2.在Reichenberger水體實驗仿真模型的基礎上,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所形成焦點區(qū)域、最大聲壓、焦距的影響。仿真結果表明,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??；形成的橄欖球體狀焦點區(qū)域的長、短軸長度隨脂肪厚度的增厚變小,隨肌肉厚度增厚長軸增大,短軸變化不大。
　　 3.參照ESWL臨床治療時B超圖像顯示的人體結構層次及厚度,建立包括皮下脂肪、肌肉、腎周脂肪、腎臟的復合人體組織仿真模型,數值仿真ESWL治療過程中超聲波非線性傳播過程。仿真結果為焦距為118.94mm,其值小于幾何焦距120mm,最大聲壓34.19MPa,其值小于水中實測聲壓44.56MPa。

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

8、仿真法研究了高強度聚焦超聲治療過程中的所形成焦點區(qū)域以及最大聲壓、焦點位置,焦點區(qū)域的大小以及隨人體組織厚度變化的規(guī)律,為ESWL臨床治療計劃的制定提供理論依據；同時提出了一種可以降低焦點前非靶區(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定條件下進行仿真研究,與實際人體組織結構、組織的特性仍有一