微泡对高强度聚焦超声焦域影响的研究

摘要

近年兴起的无创或微创高强度聚焦超声肿瘤治疗方法受到众多研究者的关注。该治疗方法是将人体外发射的低功率密度超声波聚焦到人体内肿瘤部位，通过组织吸收超声波能量而使肿瘤组织温度在短时间内达到60℃以上凝固性坏死的一种疗法。该疗法在治疗人体深部肿瘤时，由于声波需传播的距离较远且传播途中可能需穿过强衰减的骨骼组织，使超声能量大幅度衰减出现焦点能量不足，无法凝固性致死肿瘤组织的问题，同时HIFU一次性形成的可治疗焦域体积一般较小，对于大体积肿瘤治疗时采用焦域多次叠加进行，所需治疗时间长并可能引发并发症。为了安全有效地治疗人体深部肿瘤和大体积肿瘤，焦域能量不足和治疗时间过长是HIFU临床治疗的迫切需要解决的问题，具有HIFU治疗增效作用的超声微泡造影剂受到众多研究者的关注。
　　目的:
　　为了安全有效地利用HIFU治疗人体深部肿瘤和大体积肿瘤，解决焦域能量不足和治疗时间过长等问题，众多研究者提出利用微泡造影剂增效HIFU治疗效果。本研究建立仿组织数值仿真模型，采用数值仿真法对不同条件下的焦域分布进行仿真研究，通过分析讨论换能器输入功率、工作频率、仿组织体模参数和微泡初始分布条件对HIFU形成焦域的影响，并以含蛋清和微泡造影剂的仿组织体模为实验对象加以验证，为微泡造影剂在HIFU临床治疗的应用提供参考数据。
　　方法:
　　本研究结合凹球面自聚焦超声换能器结构参数，建立仿组织数值仿真模型，利用声传播方程、生物热传导方程、Yang-Church气泡运动方程，基于圆柱轴对称坐标系通过时域有限差分（Finite Difference Time Domain, FDTD）法和龙格-库塔（Runge-Kutta, RK）法数值仿真HIFU在含气泡仿组织体模中的声压场和温度场，并以含蛋清和微泡造影剂的仿组织体模为实验对象，研究对HIFU形成焦域的影响。
　　结果:
　　随着体模中初始气体体积分数的增大，60℃以上焦域体积不断增大且焦域向靠近换能器方向移动；当气体体积分数为2.5×10-6时，在体模表面聚焦未能形成有效焦域。
　　随着输入功率的增大，60℃以上焦域逐渐增大，焦域峰值温度逐渐升高、焦域位置几乎不变，当功率为30W时数值仿真所得焦域体积与体模实验所得焦域体积大小几乎相同，当功率为40W~60W时数值仿真所得焦域体积比体模实验所得焦域体积略小。
　　随着换能器工作频率的增大，60℃以上焦域逐渐增大，焦域峰值温度逐渐升高、焦域向远离换能器方向移动，焦域的长轴与短轴均随着工作频率的升高而增大，且斜率变小。
　　随着仿组织体模粘度的增大，60℃以上焦域逐渐减小，焦域峰值温度逐渐降低、焦域向远离换能器方向移动,焦域的长轴与短轴均随着粘度的变大而减小。
　　随着仿组织体模剪切模量的增大，60℃以上焦域先增大后减小，焦域峰值温度、最大绝对声压先升高后降低、焦域位置几乎不发生偏移；焦域的长轴与短轴均随着粘度的变大而先增大后减小。
　　随着体模中气泡初始半径的增大，60℃以上焦域逐渐增大,焦域峰值温度逐渐升高、焦域向远离换能器方向移动,焦域的长轴与短轴均随着气泡初始半径的增大而增大，且斜率变小。
　　结论:
　　微泡造影剂可以增大 HIFU形成60℃以上的可治疗焦域；增大输入功率、气泡初始半径和提升工作频率均可增大焦域，增大输入功率，焦域形状可能发生变化；升高工作频率和增大气泡初始半径，焦域向远离换能器的方向移动；仿组织体模的粘度越大，焦域峰值温度越低、焦域越小、焦域向远离换能器方向移动；随着仿组织体模剪切模量的增大，焦域先增大后减小，且向远离换能器方向移动。

目录

声明

缩略语/符号说明

一、前言

1.1 研究背景

1.2 研究目的

1.3 研究内容

二、数值仿真

2.1数值仿真模型

2.2声传播方程

2.3差分方程式

2.4气泡运动方程

2.5龙格-库塔法

2.6生物热传导方程

2.7中心差分方程

三、材料与方法

3.1仿组织体模材料

3.2 设备

3.3方法

四、结果

4.1微泡气体体积分数的影响

4.2输入功率的影响

4.3频率的影响

4.4仿组织体模参数的影响

4.5微泡初始半径的影响

五、结论和讨论

5.1结论

5.2讨论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述:微泡增强高强度聚焦超声治疗的原理及其研究进展

致谢

个人简历