HIFU经颅脑肿瘤治疗参数筛选的数值仿真研究

摘要

脑肿瘤现已居严重危害人类健康的恶性肿瘤前十位，其主要的治疗手段是外科手术切除以及术后的放疗和化疗。高强度聚焦超声(High-intensity focused ultrasound,HIFU)治疗肿瘤是将对组织无损的低能量超声波精准聚焦于体内待治疗区域，使靶区温度短时间内升至55℃以上致死靶区肿瘤组织的无创或微创治疗新技术，目前已经应用于子宫肌瘤、前列腺癌、乳腺癌等的临床治疗中。对于由颅骨包裹的脑部疾病的HIFU治疗而言，由于颅骨的声学特性及其结构的影响出现散焦、焦域能量不足使得形成的HIFU治疗焦域较小且形状不规则等聚焦问题；同时又由于脑组织的关键功能区多，HIFU治疗时必须严格准确控制HIFU治疗的热损伤区域，且对于毛细血管丰富的脑组织而言，HIFU治疗时空化损伤也不可忽视。为了解决这些问题，在HIFU经颅脑肿瘤治疗的过程中有必要研究换能器的输入总功率、照射频率，双焦点融合时两个设定聚焦目标点间距离、两信号源触发延时与设置聚焦目标点位置等因素对经颅HIFU形成声压场和温度场的影响，使得HIFU可以早日安全而有效地应用于临床经颅治疗脑肿瘤。 目的： HIFU因其具有的非侵入性、可重复治疗等优点而被引入脑肿瘤治疗，但HIFU经颅脑肿瘤治疗中如何控制其热损伤区域、空化作用引起的损伤及治疗焦域的调控仍是限制HIFU经颅脑肿瘤治疗应用于临床的难题。本文利用志愿者头颅的CT图像数据建立HIFU经颅脑肿瘤治疗的数值仿真模型，研究调控HIFU相控换能器输入总功率、工作频率，双焦点融合时两个设定聚焦目标点间距离、两信号源触发延时与设置聚焦目标点位置等因素对HIFU形成焦域的影响；筛选回避正常组织热损伤和空化损伤危险的HIFU治疗参数；为临床HIFU安全治疗计划的制定与治疗参数的选择提供理论依据和数据参考。 方法： 以志愿者头颅的CT图像数据、82阵元凹球面随机分布相控换能器、水体建立HIFU经颅脑肿瘤治疗的数值仿真模型，利用时间反转方法获取相控换能器阵元激励信号，基于时域有限差分方法对Westervelt非线性传播方程和Pennes生物热传导方程进行中心差分，数值仿真并分析HIFU经颅聚焦形成的声压场和温度场。基于等效热剂量评估热损伤、机械指数评估空化损伤分析讨论热损伤和空化损伤的区域，研究相控换能器输入总功率与工作频率等参数的对HIFU形成焦域的影响；研究两个设定聚焦目标点间距离、两信号源触发延时和设置聚焦目标点位置对HIFU形成焦域大小、形状以及焦域内热损伤和空化损伤的影响。 结果： 1.当HIFU辐照的输入总功率较低时，HIFU经颅形成焦域达到治疗温度所需时间较长，且随着频率的升高在设定目标焦点与换能器之间的组织受到热损伤的可能性增大。 2.当HIFU辐照的输入总功率过高时，HIFU经颅形成焦域达到治疗温度所需时间缩短，且随着频率的升高在焦域与换能器之间的焦域区域外的组织处可能出现空化损伤。 3.HIFU形成焦域最大声压随输入总功率的增大而增大，而焦域的声压随频率的升高呈先减小后增大然后再减小最后再增大的趋势；在焦域处最高温度一定的条件下，颅骨处温度随输入总功率的增大而减小，而颅骨处温度随频率的升高呈先增大后减小再增大最后再减小的趋势。 4.不同工作频率下避免正常组织伤害的输入总功率的范围如下： ①0.5MHz时输入总功率为20.6-61.8W；②0.6MHz输入总功率为41.2-82.4W；③0.7MHz时输入总功率为41.2-61.8W；④0.8MHz时输入总功率为41.2-61.8W；⑤0.9MHz时无可治疗的输入总功率；⑥1.0MHz时输入总功率为61.8W。 5.声轴方向上的双焦点融合时，设置两个设定聚焦目标点间距离为12mm的条件下，可有效扩大等效热剂量热损伤区域与MI＞1.9阈值区域的重叠区域；当两个设定聚焦目标点间距离为14mm时设置两信号源触发时间差为600ns及800ns也可有效扩大等效热剂量热损伤区域与MI＞1.9阈值区域的重叠区域。 6.双焦域融合聚焦时不同工作频率下避免正常组织伤害的输入总功率的范围如下： ①0.5MHz时的输入总功率为41.2-123.7W；②0.6MHz的输入总功率为41.2-103.1W；③0.7MHz时的输入总功率为61.8-144.3W；④0.8MHz时的输入总功率为41.2-103.1W；⑤0.9MHz时的输入总功率为61.8-144.3W；⑥1.0MHz时无可治疗的输入总功率。 7.垂直于声轴方向上的双焦点融合时，两个设定聚焦目标点对称设置条件下形成焦域的体积小于非对称设置时HIFU形成焦域体积。 8.垂直于声轴方向上的双焦点融合时，当两个设定聚焦目标点间距离大于3mm的条件下，HIFU经颅形成焦域开始分离为两个焦域；通过调节两信号源触发时间差，可使HIFU经颅形成焦域会发生融合或分离。 9.垂直于声轴方向上的双焦点融合时，当两个设定聚焦目标点间距离为2mm和调控两信号源触发时间差为200ns的条件下，可以控制焦域的形状为类似于平行四边形。 10.垂直于声轴方向上的双焦点融合时，设置两个设定聚焦目标点间距离为3mm的条件下，可有效扩大等效热剂量热损伤区域与MI＞1.9阈值区域的重叠区域；当两个设定聚焦目标点间距离为3.5mm时，设置两信号源触发延时为100ns、1300ns及1500ns的条件下，也可有效扩大等效热剂量热损伤区域与MI＞1.9阈值区域的重叠区域。 结论： 1.为避免颅骨和正常脑组织的热损伤和空化损伤，HIFU经颅治疗脑部疾病时，需要筛选相控换能器工作频率下换能器的输入总功率范围。 2.通过控制换能器输入总功率、工作频率，调控双焦点融合时的两个设定聚焦目标点间距离、两信号源触发延时与设置聚焦目标点位置可以控制HIFU形成焦域的等效热剂量热损伤区域与MI大于1.9的区域的相对大小。 3.双焦点融合聚焦较单焦域聚焦可有效扩大可安全用于治疗的输入总功率范围。

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