發(fā)布時(shí)間：2020-06-09 17:45

【摘要】：高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)是一種新興的具有巨大潛力的腫瘤治療技術(shù),已廣泛應(yīng)用于腫瘤的臨床治療。因其具有無創(chuàng)、無毒副作用等優(yōu)點(diǎn),近年來受到越來越多的人關(guān)注。HIFU作為一種非侵入式治療技術(shù),能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生局部高溫,使得靶區(qū)內(nèi)的腫瘤組織凝固性壞死而不傷害周圍正常組織,從而達(dá)到腫瘤消融的目的。在HIFU治療前,治療計(jì)劃制定是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié),可以為HIFU治療提供指導(dǎo),而數(shù)值模擬是治療前預(yù)估HIFU治療效果的一個(gè)重要工具,可幫助醫(yī)生及時(shí)調(diào)整治療方案。利用可靠的數(shù)值模擬精準(zhǔn)預(yù)測(cè)病灶區(qū)的溫度和熱損傷是保證治療成功的關(guān)鍵。本論文以有限超聲波傳播模型和生物傳熱模型為理論基礎(chǔ),圍繞病灶區(qū)的溫度和熱損傷的精確預(yù)測(cè)開展了三個(gè)方面的工作:(1)考慮生物組織熱傳導(dǎo)的非傅里葉特性,研究了血管對(duì)HIFU加熱的影響;(2)研究了動(dòng)態(tài)組織特性對(duì)HIFU加熱的影響;(3)研究了HIFU輻照多血管生物組織的溫度預(yù)測(cè)。具體工作如下:第一,生物組織中熱效應(yīng)研究大多是采用Pennes生物傳熱模型,該模型是基于傅里葉熱傳導(dǎo)定律得到的,其假定生物組織是均勻的,熱傳播速度為無限大,然而生物組織中熱傳導(dǎo)具有非傅里葉特性。本論文將Pennes生物傳熱模型修正為生物傳熱的熱波(TWMBT)模型,考慮到血管對(duì)HIFU加熱的影響,提出了一種結(jié)合TWMBT模型(灌注組織)和熱能量傳遞方程(血管)的聯(lián)合物理模型,研究了脈動(dòng)血流、熱弛豫時(shí)間、聲焦點(diǎn)位置、血管半徑和血流速度等因素對(duì)HIFU加熱中病灶區(qū)腫瘤的溫度和熱損傷的影響。研究結(jié)果表明:(1)熱弛豫時(shí)間對(duì)溫度和熱損傷具有非常大的影響。熱弛豫時(shí)間越大,峰值溫度和病灶區(qū)腫瘤組織的熱損傷越小。與TWMBT生物傳熱模型相比,Pennes生物傳熱模型高估了峰值溫度和熱損傷大小;(2)聲焦點(diǎn)位置和血管半徑對(duì)溫度和熱損傷區(qū)域有較大的影響。聲焦點(diǎn)與血管中心的距離越大,峰值溫度和病灶區(qū)腫瘤組織的熱損傷越大;血管半徑越大,峰值溫度和病灶區(qū)腫瘤組織的熱損傷越小,且熱損傷對(duì)血管半徑很敏感;(3)脈動(dòng)血流的心跳頻率和振幅因子以及血流的平均速度對(duì)溫度和熱損傷只有輕微的影響。第二,HIFU輻照會(huì)引起生物組織溫度升高,而生物組織溫度的升高又使得組織特性發(fā)生變化,進(jìn)而影響生物組織中的聲場(chǎng)和溫度場(chǎng),導(dǎo)致生物組織特性參數(shù)、聲場(chǎng)、溫度場(chǎng)在整個(gè)HIFU輻照過程中相互影響。針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)值預(yù)測(cè)方法通常將組織特性參數(shù)設(shè)定為常數(shù)這一缺陷,提出了基于Westervelt聲學(xué)傳播方程和Pennes生物傳熱方程的聲熱耦合模型,考慮HIFU輻照過程中組織特性參數(shù)的變化,以預(yù)測(cè)生物組織中的溫度和熱損傷大小。首先,在一些研究者測(cè)量的溫度依賴的生物組織特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到生物組織特性參數(shù)與溫度的關(guān)系式。再次,運(yùn)用擬合得到的生物組織特性參數(shù)與溫度的關(guān)系式,研究了單個(gè)組織特性參數(shù)變化對(duì)HIFU加熱的影響和所有動(dòng)態(tài)組織特性參數(shù)對(duì)HIFU加熱的聯(lián)合效應(yīng)。仿真結(jié)果表明:(1)聲壓受組織特性參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的影響不明顯;(2)在所有的各個(gè)動(dòng)態(tài)組織特性參數(shù)中,動(dòng)態(tài)聲吸收系數(shù)對(duì)焦點(diǎn)溫度和熱損傷區(qū)影響最大,而動(dòng)態(tài)非線性參數(shù)、動(dòng)態(tài)聲速、動(dòng)態(tài)比熱容和動(dòng)態(tài)密度的影響較小;(3)與傳統(tǒng)方法相比,動(dòng)態(tài)聲吸收系數(shù)會(huì)引起焦點(diǎn)溫度和熱損傷增大;相反,動(dòng)態(tài)血流灌注率會(huì)導(dǎo)致較低的焦點(diǎn)溫度和較小的熱損傷;(4)與傳統(tǒng)方法相比,考慮熱導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化時(shí)預(yù)測(cè)的最大焦點(diǎn)溫度要高,但兩種方法預(yù)測(cè)的損傷大小卻幾乎相等;(5)與使用所有動(dòng)態(tài)組織特性參數(shù)進(jìn)行的模擬相比,傳統(tǒng)方法低估了焦點(diǎn)溫度和熱損傷大小。第三,針對(duì)HIFU輻照多血管生物組織的溫度預(yù)測(cè)問題,將多血管生物組織當(dāng)作多孔介質(zhì)來處理,提出利用廣義雙相位滯后生物傳熱(GDPL)模型研究HIFU輻照多血管生物組織中的傳熱行為,并與Pennes生物傳熱模型和TWMBT生物傳熱模型進(jìn)行了對(duì)比,研究了孔隙率對(duì)HIFU加熱的影響。仿真結(jié)果表明:(1)與Pennes生物傳熱模型和TWMBT生物傳熱模型相比,當(dāng)孔隙率較小時(shí),GDPL模型預(yù)測(cè)的溫度和熱損傷與其它兩種模型吻合得較好;當(dāng)孔隙率較大時(shí),GDPL模型預(yù)測(cè)的溫度和熱損傷則比其他兩種模型要小;(2)孔隙率越大,則組織中包含的血管越多,血管與周圍組織的熱對(duì)流作用越強(qiáng),組織的溫度越低,產(chǎn)生的熱損傷也越小;(3)孔隙率越大,組織和血液之間的溫差越大。在加熱階段,組織的溫度上升的速率要比血液快;在冷卻階段,組織溫度下降的速率同樣比血液要快。本論文研究的結(jié)果將有助于指導(dǎo)醫(yī)生為HIFU治療制定更準(zhǔn)確的臨床實(shí)施方案,可進(jìn)一步促進(jìn)HIFU在臨床上的應(yīng)用。
【圖文】：

博士學(xué)位論文聲治療機(jī)制由壓電材料制成的換能器產(chǎn)生的，當(dāng)在壓電材料上施加高超聲波。我們熟悉的診斷超聲的頻率通常在 1-20 MHz 范據(jù)應(yīng)用類型和穿透深度，使用 600 kHz 至 10 MHz 范圍內(nèi)聲壓值分別為每平方厘米幾千瓦和幾兆帕[77]。HIFU 治療產(chǎn)生的超聲波聚焦到靶組織，短時(shí)間（0.5-5s）內(nèi)使靶區(qū)，，致其靶區(qū)腫瘤組織發(fā)生不可逆的壞死（即凝固性壞死）織，從而達(dá)到腫瘤消融的目的。其原理圖如 1-1 所示。

第二章 聲場(chǎng)與溫度場(chǎng)基本理論播方程分的超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，根據(jù)惠更斯原理，聲場(chǎng)可由瑞 2-1 中任意一點(diǎn)聲壓可表示為：dSrepjfujkrS 波的波數(shù)2 fkc （f 為超聲頻率，c 為介質(zhì)中傳播聲速向振速，ρ為介質(zhì)密度，r 表示聲源上輻射面元 dS 上的某 Q 的距離，R1為輻射面元 dS 與坐標(biāo)原點(diǎn) O 之間的距離
【學(xué)位授予單位】：湖南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R730.5;TK6

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號(hào)：2705033