多元阵列相控聚焦超声多模式热场研究

摘要

恶性肿瘤是威胁人类健康的重大疾病之一。尽管手术切除被认为是治疗肿瘤的首选方法,但由于某些肿瘤形态为弥散型或者位于重要血管附近,并不适合进行手术切除。这就为热物理肿瘤治疗技术提供了发展的契机。热物理肿瘤治疗技术已经成为肿瘤治疗的重要发展方向。作为一种非侵入式的热物理肿瘤治疗技术,相控HIFU(High Intensity FocusedUltrasound)技术也就成为肿瘤治疗领域的一个新的研究热点。相控阵聚焦超声技术利用多元阵列的相控移相技术和激励信号幅度调控技术形成组织焦域温度高于70℃的单焦点或者多焦点高热模式热场,在短时间内造成病变组织的急性热损伤,达到治疗目的。不仅如此,相控阵聚焦超声技术还可以利用多元阵列相控组合技术和激励信号幅度调控技术实现焦域温度为40-45℃的可控型温热模式热场,更适合于肿瘤热化疗、热敏药物释放、热导向基因表达等。
　　 本文在分析国内外相关研究的基础上,提出通过结合相移技术和相控组合技术可以实现高温消融与热靶向药物治疗组合式肿瘤治疗,这将成为一种肿瘤治疗的新方法。针对这一目标,系统地研究了相控阵聚焦超声多模式热场建模方法、系统实现与阵列优化技术、局部热场可控性关键技术和不同生理和治疗条件下多模式热场分布规律。准确的理论建模能够更好地理解超声在组织中引入的热场分布,验证新型换能器和新应用的可行性；优化的系统设计为形成区域可控温热模式热场提供硬件平台；局部热场可控性关键技术用于形成人体深部均匀适形的温热模式热场,为热敏药物定向适形释放提供条件；不同生理和治疗条件下的多模式热场分析有助于我们改善治疗计划,提高治疗成功率。
　　 研究了相控阵聚焦超声多模式声热场计算理论和实现方法,提出了一种相控阵聚焦超卢多模式热场有限元建模方法。该方法考虑了依赖于温度和热剂量变化的超声衰减和血流灌注因素以及随时间变化的超声功率沉积。在此基础上,设计开发了一个可形成多模式热场的球面聚焦超声相控阵列原型系统,该系统可以达到1.40625°的相位调节精度,能够形成理论所需多焦点声场分布。进一步通过分析阵列形状、阵元排布方式、阵列曲率半径、阵元数目和大小等阵列设计参数对声场的影响规律,对原型系统的阵列设计进行了改进,提出一个包含108阵元的新型球面开孔环形不等间距阵列。研究表明该阵列能同时适合人体深部大肿瘤均匀加热和小体积高热消融。
　　 为实现局部热场可控性关键技术,提出了一种基于低强度相控阵聚焦超声多模式互交替旋转组合加热方法。该方法采用相控原理形成多焦点不同模式的聚焦,并以不同模式互交替旋转的组合方式形成可控型,能量分布均匀的温热模式热场,能够为热敏脂质体定向释放提供条件。特别针对包含108阵元的球面阵列,对其施于不同相位和幅值的信号源组合实现多模式互交替旋转组合加热。仿真结果表明可获得区域可控范围Φ5 mm-Φ40 mm,能量分布均匀的温度场。进一步研究了血流灌注率、扫描周期和声焦点声强对多模式互交替旋转组合加热方法所形成的均匀温热模式热场的影响,并在在确定血流灌注率影响规律的基础上,提出了一个基于关键点温度上升速率的声焦点声强控制算法。该算法通过调节多模式声场声强以保证加热区域冷点温度上升速率保持为设定值,达到形成所需均匀温热模式热场的目的.
　　 研究了血流灌注和超声衰减的动态变化对多焦点高热模式热场分布规律和热损伤形成的影响。结果表明随热剂量变化的超声衰减是动态模型中引起热损伤变化的主要因素。如果动态参数被忽略,导致热损伤直径的明显低估。随后研究了在不同辐照强度,治疗时间和焦点间距条件下,血流灌注率和热传导系数对高热模式热场分布规律以及组织热损伤的影响。结果表明采用焦点间声场重叠且焦点间功率沉积大于焦点峰值功率沉积75％的多焦点模式,以高强度短时间的方案加热可以避免血流灌注率对热损伤的影响,适合作为高灌注器官肿瘤治疗的一种高热消融方式。最后针对肿瘤生长于大血管附近这类肿瘤.血管形态,设计了在有限元模型中引入真实几何形态血管的方法,提出了基于大血管对流效应的生物传热模型,模型中包含了真实几何形态的门静脉、肝脏组织和动态血流灌注率因素。采用该模型研究了大血管位置和血流速度对多焦点高热模式热场分布的影响。结果表明当治疗区域近距离内存在大血管时,易受血流影响的区域存在于靠近血管一侧的焦域两端,该处热剂量未能达到热损伤阈值,将会导致治疗的不彻底。当靶组织边缘距离大血管壁3 mm以上时,大血管在聚焦超声治疗中的冷却效应不再明显。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 聚焦超声治疗技术

1.2 相控阵聚焦超声治疗技术

1.3 超声热场分析

1.4 相控阵聚焦超声组织多模式热场分析

1.5 本文的主要研究内容

第二章 相控阵聚焦超声多模式声热场计算及系统实现

2.1 引言

2.2 超声相控阵多模式声热场建模

2.2.1 相控阵列声场计算

2.2.2 热场计算模型

2.2.3 动态变化的血流灌注和超声衰减

2.2.4 多模式热场有限元分析

2.3 形成多模式热场的相控阵聚焦超声加热系统设计

2.3.1 系统总体设计

2.3.2 相控阵列驱动系统设计

2.3.3 FPGA上位工控机控制程序

2.4 小结

第三章 基于低强度相控阵聚焦超声多模式互交替旋转组合加热方法

3.1 引言

3.2 相控阵聚焦超声热靶向药物治疗原理

3.3 相控阵列优化设计研究

3.3.1 平面阵列和球面阵列的影响

3.3.2 相控阵列排列方式的影响

3.3.3 球面曲率半径的影响

3.3.4 阵元数目和大小的影响

3.4 基于多模式交替旋转组合方法的均匀温度场控制

3.4.1 多模式交替旋转组合均匀温度场控制方法

3.4.2 方法性能评估

3.5 小结

第四章 低强度相控阵聚焦超声加热策略研究及优化

4.1 引言

4.2 加热策略分析方法

4.3 血流灌注率和扫描周期的影响

4.3.1 血流灌注率对局部均匀温热场的影响

4.3.2 扫描周期对局部均匀温度场的影响

4.3.3 声场强度对血流灌注热沉积影响的补偿作用

4.4 基于关键点温度上升速率的扫描模式声强优化

4.4.1 优化算法

4.4.2 算法验证

4.5 小结

第五章 动态参量对高强度相控阵聚焦超声热场分布规律与组织热损伤的影响

5.1 引言

5.2 超声衰减和血流灌注率的动态变化对多焦点模式热场的影响

5.2.1 模型与方法

5.2.2 结果与讨论

5.3 血流灌注率对多焦点模式温度场和组织热损伤的影响

5.3.1 模型与方法

5.3.2 结果与讨论

5.4 热传导率对多焦点模式组织热损伤的影响

5.5 小结

第六章 大血管对高强度相控阵聚焦超声消融肝脏肿瘤热场分布的影响

6.1 引言

6.2 理论和方法

6.2.1 大血管对流传热模型

6.2.2 真实肝脏血管三维模型

6.2.3 三维有限元模型

6.2.4 加热方案设定

6.3 结果与讨论

6.3.1 大血管位置对温度场的影响

6.3.2 受大血管位置影响的瞬态温度和热剂量分布

6.3.3 大血管位置对热剂量分布的影响

6.3.4 大血管血流速度的影响

6.4 小结

第七章 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间以第一作者发表的论文

上海交通大学学位论文答辩决议书