基于聚焦式超声波的脑瘤治疗方案的研究及实现

摘要

聚焦式超声波治疗已经在乳癌、腹腔肿瘤和子宫肌瘤等诸多软组织治疗方面取得了不错的疗效。其用于脑部癌细胞治疗时可以在完全非侵入性的条件下将用高强能量打开脑血屏障，通过微泡将药物送入局部目标区域，增加药物疗效性，且不影响其他正常组织。然而在这个治疗的过程中会发现，骨头组织对超声波吸收相当大，可能会造成能量衰减，焦点偏折，甚至失焦等情况，使得治疗过程中会出现偏差，本文针对这样的情况做了以下几个方面的研究：
　　(1)建立了用来模拟超声波聚焦脑部过程的三维模型。首先采用传统的方法对超声波探头、头骨以及肿瘤各自进行三维模拟，然后建立三维坐标系，将其整合形成完整的三维模型。最后针对肿瘤的位置及大小等信息，提出治疗单元设定的方法和影响因素。
　　(2)基于瑞利-索末菲衍射积分式提出了声场模拟的方法来解决超声波透头骨的多层介质问题，以此在三维模型中模拟超声波透头骨的聚焦过程。然后根据声场模拟过后的聚焦点覆盖程度以及声场分布情况判断此治疗方案的合理程度，以便帮助医生在手术前对不同的病例制定相应的治疗方案。
　　(3)利用OpenGL与C＃语言相结合的方式开发了三维可视化界面。此界面可以将治疗方案的相关数据导入以及进行图形重建，加上一些人机交互功能的开发，更为医生能够看到具体的细节信息提供了方便:例如确定肿瘤在脑中的位置、大小等信息;通过鼠标控制图形的放缩以及旋转来多角度的观察图形;或者通过按键选择显示不同的治疗单元信息，以及决定每个治疗单元具体会打出多少个聚焦点。
　　(4)对图形完整清晰程度以及绘图时间的快慢进行了综合的考量分析，将图形显示和人机交互实时性的影响参数进行对比，找出了最适合的参数，以此帮助医生快速准确的查看治疗情况。
　　以上几个方面的研究将对医生在手术前的规划以及手术过程中的操作提供很有用的帮助，并且为基于聚焦式超声波的脑瘤治疗算法的研究开拓了新的方向。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 聚焦式超声波治疗脑瘤的背景及发展现状

1．1．1 超声波在医学方向上的用途

1．1．2 聚焦式超声波介绍

1．1．3 聚焦式超声波利用微泡开启血脑屏障

1．1．4 核磁共振造影引导超声波手术治疗的发展

1．2 三维图形学的相关研究

1．2．1 背景知识

1．2．2 现状发展

1．3 本文主要研究目标与内容

1．4 论文结构安排

第2章 关键技术介绍

2．1 OpenGL概述

2．2 OpenGL的特点与功能

2．2．1 特点介绍

2．2．2 功能介绍

2．3 OpenGL的基本架构与工作流程

2．4 OpenGL的基本变换矩阵

2．5 本章小结

第3章 超声波治疗脑瘤的治疗方案的提出及验证

3．1 三维模组建立

3．1．1 超声波探头模拟

3．1．2 头骨及肿瘤的三维重建

3．1．3 坐标系整合

3．2 治疗区域的设定

3．3 超声波透头骨声场模拟

3．3．1 瑞利-索末菲衍射积分式

3．3．2 超声波透头骨的多层介质问题解决

3．3．3 声场模拟结果

3．4 超声波透头骨声场模拟结果分析

3．4．1 声压与声压增益分析

3．4．2 聚焦点的覆盖率计算

3．5 本章小结

第4章 治疗方案的辅助界面设计

4．1 开发环境

4．1．1 开发环境介绍

4．1．2 开发环境配置

4．2 界面设计需求分析

4．3 界面功能实现

4．3．1 数据文档的处理与读取

4．3．2 图形建模的几个方法

4．3．3 光照设置

4．3．4 图形切换

4．3．5 人机交互功能实现

4．4 本章小结

第5章 结果与讨论

5．1 治疗方案的案例分析

5．2 治疗方案界面可行性验证

5．2．1 绘图正确性验证

5．2．2 界面功能分析

5．3 界面及时性影响参数的选取

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研工作

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