HIFU表面消融仿真模型的建立及实验验证

摘要

研究背景：
　　高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound, HIFU）是近年来快速发展的非侵入性治疗肿瘤的新技术。在临床上，HIFU治疗肝癌、乳腺癌、胰腺癌、恶性骨肿瘤、子宫肌瘤等实体肿瘤已取得显著疗效。由于HIFU的焦域较小，临床治疗时采用“点-线-面-体”的组合方式逐点逐层给予能量，直至完全覆盖整个肿瘤。这种传统的完全治疗模式，对小肿瘤具有很好的效果，但是当治疗体积较大的肿瘤时，完全扫描治疗模式就会使消融时间过长、所需能量增大且产生并发症的风险也明显增高。因此，寻找更为有效的HIFU辐照方式来提高治疗效率及减少并发症是亟须解决和深入研究的问题。据此结合恶性肿瘤的生长特点，采取一种新的“表面消融模式”，只消融肿瘤的表面，肿瘤内部不投放剂量，以期形成包裹靶区的完整封闭的凝固性坏死带，造成其内部缺血、缺氧性坏死，达到治疗的目的。
　　表面消融模式是一种针对 HIFU治疗大体积肿瘤提出来的新的辐照方式，目的是为了减少治疗时间和辐照剂量，以期形成更安全有效的HIFU无创消融技术。从理论上可知表面消融模式较传统的完全消融模式具有优越性，但对于不同体积大小的肿瘤，表面消融模式究竟可以减少多少治疗时间和辐照剂量，目前并没有进行深入研究，同时对于某一体积大小的肿瘤，表面消融模式目前也没有数学模型预估其治疗时间和辐照剂量。故需建立HIFU表面消融仿真模型，通过理论模型定量的计算出此模式消融一定体积的肿瘤所需的辐照时间、吸收能量及累积能量，并通过离体牛肝实验验证其模型准确性，再与传统完全消融模式相比较，探讨表面消融这一新型模式的可行性及量效关系等，本课题针对HIFU表面消融模式进行建模及相关研究，拟解决表面消融模式更为科学与规范的实施问题。
　　目的：
　　建立HIFU表面消融肿瘤的仿真模型，并通过离体牛肝实验验证和修正理论模型，探讨HIFU表面消融模式超声影像学的实时监控方法。
　　材料和方法：
　　（1）HIFU表面消融肿瘤仿真模型的建立：HIFU消融仿真模型由超声换能器、水、牛肝组织构成。模型靶区长42mm，宽30mm，高以8mm的间距增加、分别为16mm、24mm、32mm、40mm、48mm、56mm、64mm。通过模拟HIFU连续点打法扫描，表面消融模式由深至浅依次沿靶区周边进行扫描，完全消融模式则在同一深度依次逐层完全消融各层面。根据HIFU椭球体形状的声焦域，计算出单点辐照后的损伤体积，以KZK非线性声波传播方程和单位体积组织单位时间内吸收能量公式为基础，结合辐照时间与累积能量公式，对不同体积模型两种消融模式下的吸收能量、辐照时间及累积能量进行计算，并对数据进行比较与分析。
　　（2）离体牛肝实验验证和修正表面消融肿瘤理论模型：新鲜离体牛肝组织，切成约100mm×100mm×70mm大小的长方体块，运用JC200型聚焦超声肿瘤治疗系统，先在深度为20mm、28mm、36mm、44mm处进行单点辐照，辐照时间2s，辐照结束后沿凝固性坏死最大面剖开，测量坏死长径a、短径b，通过=4s ab?与2=6v ab?分别计算其面积和体积。实验结果与仿真模型计算出的牛肝坏死形态、大小进行比较，并分析在不同深度处、不同声强下点坏死范围变化趋势。再以点辐照时间2s，间隔时间10s，点间距3mm的组合参数，在不同深度处动态调节辐照声强进行HIFU表面消融实验和完全消融实验，消融大小为30 mm×42 mm×24 mm的离体牛肝。实验后将其各层面的辐照时间、累积能量与仿真模型计算值进行比较分析，对上述模型的吸收能量、辐照时间及累积能量计算公式进行修正，再运用修正后的公式预测消融靶区大小为30 mm×42 mm×56 mm、30 mm×42 mm×64 mm的辐照时间、累积能量及吸收能量，并通过实验验证。
　　（3）HIFU表面消融模式超声影像学的实时监控：表面消融实验完成后沿X轴方向以每隔1mm的距离采集超声二维图像，每块牛肝共取31张超声图像，然后运用三维虚拟导航系统软件进行测量分析并重建靶区。分析重建后靶区的强回声封闭环是否完整以及强回声区域的大小形态。测量表面消融模式损伤区域，计算出其消融区域，并与病理测量的消融区域对比分析。
　　结果
　　（1）仿真模型体积为30 mm×42 mm×24 mm，在深度为44mm、36mm、28mm、20mm处，对应声功率分别为350W~330W、300W~280W、260W~240W、220W~200W的情况下辐照靶区，表面消融模式与完全消融模式总辐照时间、单位体积组织总吸收能量及总累积能量分别为852s、306.2kW/cm2~278.3kW/cm2、241.9kJ~224.8kJ和1320s、472.0kW/cm2~429.4kW/cm2、372.9kJ~346.5kJ。表面消融模式总辐照时间、单位体积总吸收能量和总累积能量均小于完全消融模式，分别减少约35.5％，35.1%和35.1%。随着消融体积的增加，表面消融模式所需的总辐照时间、总吸收能量及总累积能量的降低越来越明显，表明对于大体积肿瘤表面消融模式比完全消融模式更具有优势。
　　（2）在深度20mm、28mm、36mm、44mm处，不同辐照功率，相同辐照时间下，HIFU单点辐照损伤的面积及体积都与理论值相差不大，且其变化趋势一致，随着辐照深度和声强的增加都呈非线性增加。应用HIFU表面和完全消融模式分别辐照30 mm×42 mm×24 mm的离体牛肝，表面消融模式能在靶区周边形成完整的坏死带，与中间未辐照的肝脏边界较清晰。光镜下，辐照区域出现典型的凝固性坏死，坏死带与正常肝脏边界清晰。表面消融模式与完全消融模式的总辐照时间、累积能量实验结果分别为（785.7±45.2）s、（216.8±13.9）kJ和（991.8±80.0）s、（276.9±21.2）kJ，两种模式的总辐照时间与累积能量比较均有统计学显著性差异（P＜0.05）。表面消融模式和完全消融模式的总辐照时间、总累积能量实验结果分别和理论计算结果相比有差异，且存在一定的比值关系，运用此比值修正后的公式预测靶区为30 mm×42 mm×56 mm、30 mm×42 mm×64 mm的辐照时间、累积能量及吸收能量，通过实验证明预测值与实验值相符合。
　　（3）HIFU表面消融辐照离体牛肝后，靶区周边坏死带在超声图像上呈强回声，与中央未辐照区边界较清晰，靶区3D重建图像较清晰，坏死面与正常组织边界能较好的辨别。超声图像勾画的消融体积平均值为（30.1±3.2）cm3，牛肝组织坏死测量消融体积平均值为（29.6±2.6） cm3，两种测量方法比较无显著性差异（P＞0.05）。
　　结论：
　　1.建立了 HIFU表面消融模式理论仿真模型。通过仿真模型的数值计算，从理论上证明HIFU表面消融模式辐照时间、吸收能量及累积能量均低于完全消融模式。随着消融体积的增加，表面消融模式所需的总辐照时间、总吸收能量及总累积能量的降低越来越明显，表明对于大体积肿瘤表面消融模式比完全消融模式更具有优势。
　　2. HIFU表面消融模式消融离体牛肝的实验结果与修正后的仿真模型预测结果相符合，表明该仿真模型可以有助于预测HIFU表面消融模式辐照肿瘤所需的辐照时间、吸收能量及累积能量。
　　3.超声影像学能实时监控 HIFU表面消融模式所致的靶组织坏死区域。

目录

英汉缩略语名词对照

前言

第一部分HIFU表面消融仿真模型的建立

1 材料与方法

1.1 仿真材料

1.2 方法

2 结果

2.1 一定体积的模型仿真

2.2 不同消融体积的模型仿真

3 讨论

第二部分 HIFU表面消融仿真模型的实验验证及模型的修正

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.2 实验方法

1.3 坏死区域的测量

1.4 坏死区域的模拟

1.5 表面消融的超声影像学监控

1.6 统计学分析

2 结果

2.1 点辐照损伤的特点

2.2 表面消融模式坏死区域的特点

2.3 完全消融模式坏死区域的特点

2.4 表面消融实时超声影像学的变化

2.5 表面消融模式辐照时间及能量的实验结果与理论计算比较

2.6 表面消融模式仿真模型的修正

3 讨论

全文总结

参考文献

文献综述:高强度聚焦超声增效方法的研究进展

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文