高強(qiáng)度聚焦超聲治療溫度場的數(shù)值仿真研究.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)腫瘤治療技術(shù)是一種非侵入性治療實(shí)體腫瘤的新型治療技術(shù)，該療法具有微創(chuàng)性、不易引起癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移、患者痛苦小、治療后康復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，已用于前列腺癌、肝癌、惡性骨肉瘤、乳腺癌等實(shí)質(zhì)性臟器的腫瘤治療，成為眾多研究者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。但是，在實(shí)際臨床治療中，靶區(qū)溫度難以實(shí)時(shí)監(jiān)控以及能量分布不均勻等原因，可能出現(xiàn)皮膚燒傷、神經(jīng)損傷、靶區(qū)腫瘤組織殘留等臨床問題。

2、為了避免這些臨床治療問題的發(fā)生，提高治療的可靠性和安全度，很有必要準(zhǔn)確、客觀地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測出焦點(diǎn)區(qū)域可治療溫度區(qū)域的形狀和大小。 目前臨床上通常采用插入熱偶探針測溫的有損測溫方法，對于實(shí)際生物體檢測有一定難度。CT、核磁共振測溫等，由于價(jià)格昂等原因，未能廣泛應(yīng)用于臨床。數(shù)字模擬仿真法，可以采用數(shù)值計(jì)算的方法，預(yù)測人體內(nèi)實(shí)際形成的焦點(diǎn)區(qū)域大小及溫度場分布，近年來高強(qiáng)度聚焦超聲波非線性仿真計(jì)算也成為眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。例如利

3、用KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)等人提出的聲波的非線性理論，眾多的研究者提出了如時(shí)域差分法、頻域差分法、解析法等，對聲波非線性傳播進(jìn)行模擬仿真研究。但這些方法直接應(yīng)用于具有不同聲學(xué)特性和不規(guī)則特性的人體組織內(nèi)聲波的非線性傳播的數(shù)值仿真研究尚有一定距離。森田長吉等人提出了時(shí)域有限差分(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)超聲波非線性傳播的仿真方法，并以Reiche

4、nberger的體外沖擊波碎石(ESWL)水中實(shí)驗(yàn)為例，對水體內(nèi)高強(qiáng)度超聲波非線性傳播進(jìn)行了仿真研究，得到了與實(shí)驗(yàn)測得波形完全一致的仿真結(jié)果。 本研究利用森田長吉等人提出的用來數(shù)值仿真高強(qiáng)度超聲波非線性傳播過程中聲壓、質(zhì)子速度的FDTD仿真方法，并結(jié)合Pennes生物熱傳導(dǎo)方程把該方法應(yīng)用于高強(qiáng)度聚焦超聲治療溫度場的仿真研究。參照日立公司的超聲波前列腺治療系統(tǒng)建立三維圓柱坐標(biāo)數(shù)值仿真模型，并將超聲波非線性傳播的FDTD仿真法應(yīng)用

5、于超聲波非線性傳播過程中焦點(diǎn)區(qū)域溫度場的數(shù)值解析之中，數(shù)值仿真計(jì)算、討論分析空間步距大小、時(shí)間步距大小對聲壓、熱量、溫度仿真精度的影響。研究焦點(diǎn)附近聲壓、熱量、溫度分布，形成65℃以上的焦點(diǎn)區(qū)域的形狀、大小及位置。仿真結(jié)果表明HIFU治療中在三維空間上所形成的焦點(diǎn)區(qū)域近似圓柱體，并且實(shí)際所形成的焦點(diǎn)位置(最大溫度位置)與設(shè)備的幾何焦距并不一致。本論文以FDTD數(shù)值仿真法研究了高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中的聲壓、熱量、溫度分布，所形成的焦點(diǎn)區(qū)