高強度聚焦超聲焦域溫度場特性的數(shù)值仿真研究.pdf

1、目的：高強度聚焦超聲(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度超聲能量的焦點區(qū)域，使腫瘤組織吸收焦點區(qū)域高強度超聲能量，在短時間內(nèi)溫度升到60℃以上(60℃以上的焦點區(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，成為眾多研究者關(guān)注和研究的熱點并應(yīng)用于臨床腫瘤治療中。現(xiàn)有的HIFU腫瘤治

2、療系統(tǒng)對于焦點區(qū)域溫度的監(jiān)控以及治療效果的實時檢測問題都沒有得到很好的解決，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。本論文通過數(shù)值仿真高強度聚焦超聲傳播過程中溫度場的變化，研究不同換能器陣元激勵函數(shù)、不同治療劑量以及生物組織血流灌注對焦點區(qū)域溫度場、焦點區(qū)域位置、形狀和大小等的影響，為高強度聚焦超聲腫瘤治療臨床治療可靠性提高，治

3、療計劃制定提供技術(shù)參數(shù)和技術(shù)方法。 方法：本研究基于森田長吉等人提出的高強度超聲波非線性傳播時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)高強度聚焦超聲非線性傳播過程中組織的溫度分布。 結(jié)果：仿真結(jié)果表明高強度聚焦超聲腫瘤治療過程中，經(jīng)過單次照射后，隨著超聲波的聚焦傳播，焦點區(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、平均輸入聲強和連續(xù)照射時間相同而陣元激勵函數(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，而在焦點區(qū)域明顯不同；換能器工作頻率、平均輸入聲強及連續(xù)照射時間等不同治療劑量的選擇均會導(dǎo)致皮膚及焦點區(qū)域各處溫度場的變化：生物組織的血流灌注對HIFU焦區(qū)溫度的溫升和形成焦點區(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仿真方法研究高強度聚焦超聲溫度場變化以及不同陣元激勵函數(shù)、不同治療劑量以及生物組織血流灌注對高強度聚焦超聲焦點區(qū)域溫度場的影響。結(jié)論如下： (1)對于壓電陶瓷陣元，整合層的加入與否，一般不會改變60℃以上可治療區(qū)域的大小。但是加入整合層后，焦點區(qū)域中心溫度低于未加整合層時的焦點區(qū)域中心溫度。皮膚處溫度基本相同。 (2)在相同輸入聲強和照射時間條件下，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)頻率和照射時間一定時，隨著輸入聲強的增加，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；同時皮膚處40℃～45℃的區(qū)域由聲軸向兩邊擴展，面積增大。但焦距保持不變。 (4)在相同頻率和輸入聲強的條件下，隨著照射時間的增加，可治療焦點區(qū)域的體積增大，40℃～45℃的區(qū)域也明