聚焦超声治疗的焦域校准方法研究

摘要

高强度聚焦超声(HIFU)治疗在治疗肿瘤中表现出诸多优势，然而研究者发现，由于人体组织的复杂性，超声束在人体传播中会发生折射、反射等物理现象，超声束难以按照理想的传播路径聚焦到病灶点处，导致了聚焦点偏离病灶点处或散焦的问题。本文研究聚焦超声治疗的焦域校准方法，以提高治疗精度。
　　 本文首先通过重建二维CT切片，建立与超声传播相关的人体三维物理模型。由于体数据中只包含了组织的CT值，并没有提供组织的密度和超声传播特性等信息，因此在获得三维体数据后，需要建立CT值和超声传播速度的关系。本文通过二分法将不同的CT值和其对应的组织密度作一一映射，然后由组织信息推导出不同组织内超声波的传播特性，该步骤是模拟超声传播的前期准备工作。
　　 然后模拟跟踪超声束在此三维模型上的传播路径。初始化一个超声发射源的坐标、发射方向和病灶点的位置。超声束沿着此方向在人体内传输，传播过程中遇到组织界面时发生折射，通过Neumann梯度估计法计算超声传播中的法向量，超声在不同组织中传播速度已经得到，根据Snell折射定律计算出折射后超声束的传播方向，直到超声束穿出模拟数据，完成跟踪过程。模拟实验结果显示，模拟超声路径与理想路径存在较大的差异。
　　 最后在模拟跟踪超声传播路径的基础上，研究焦域校准方法。该方法根据超声波传播路径可逆性的原理，以焦域为参照点逆向追踪超声束来源方位。在病灶点处均匀的发射超声束，跟踪每束超声在人体中的传播，体外超声波接收装置记录接收到的超声束的空间坐标和传播方向。实际治疗时，如果选择在记录的坐标处放置超声发射源，取超声束的发射方向为记录的传播方向的反方向，就可以使超声束在通过不均匀的人体组织后，仍然可以聚焦在指定的病灶点。通过对比分析同一病灶点校准前后超声束聚焦实验，结果表明校准后的聚焦精度得到了较大的提高。