【摘要】：腦腫瘤現(xiàn)已居嚴(yán)重危害人類健康的惡性腫瘤前十位,其主要的治療手段是外科手術(shù)切除以及術(shù)后的放療和化療。高強度聚焦超聲(High-intensity focused ultrasound,HIFU)治療腫瘤是將對組織無損的低能量超聲波精準(zhǔn)聚焦于體內(nèi)待治療區(qū)域,使靶區(qū)溫度短時間內(nèi)升至55℃以上致死靶區(qū)腫瘤組織的無創(chuàng)或微創(chuàng)治療新技術(shù),目前已經(jīng)應(yīng)用于子宮肌瘤、前列腺癌、乳腺癌等的臨床治療中。對于由顱骨包裹的腦部疾病的HIFU治療而言,由于顱骨的聲學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)的影響出現(xiàn)散焦、焦域能量不足使得形成的HIFU治療焦域較小且形狀不規(guī)則等聚焦問題;同時又由于腦組織的關(guān)鍵功能區(qū)多,HIFU治療時必須嚴(yán)格準(zhǔn)確控制HIFU治療的熱損傷區(qū)域,且對于毛細血管豐富的腦組織而言,HIFU治療時空化損傷也不可忽視。為了解決這些問題,在HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療的過程中有必要研究換能器的輸入總功率、照射頻率,雙焦點融合時兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離、兩信號源觸發(fā)延時與設(shè)置聚焦目標(biāo)點位置等因素對經(jīng)顱HIFU形成聲壓場和溫度場的影響,使得HIFU可以早日安全而有效地應(yīng)用于臨床經(jīng)顱治療腦腫瘤。目的HIFU因其具有的非侵入性、可重復(fù)治療等優(yōu)點而被引入腦腫瘤治療,但HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療中如何控制其熱損傷區(qū)域、空化作用引起的損傷及治療焦域的調(diào)控仍是限制HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療應(yīng)用于臨床的難題。本文利用志愿者頭顱的CT圖像數(shù)據(jù)建立HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療的數(shù)值仿真模型,研究調(diào)控HIFU相控換能器輸入總功率、工作頻率,雙焦點融合時兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離、兩信號源觸發(fā)延時與設(shè)置聚焦目標(biāo)點位置等因素對HIFU形成焦域的影響;篩選回避正常組織熱損傷和空化損傷危險的HIFU治療參數(shù);為臨床HIFU安全治療計劃的制定與治療參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。方法以志愿者頭顱的CT圖像數(shù)據(jù)、82陣元凹球面隨機分布相控換能器、水體建立HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療的數(shù)值仿真模型,利用時間反轉(zhuǎn)方法獲取相控換能器陣元激勵信號,基于時域有限差分方法對Westervelt非線性傳播方程和Pennes生物熱傳導(dǎo)方程進行中心差分,數(shù)值仿真并分析HIFU經(jīng)顱聚焦形成的聲壓場和溫度場�；诘刃釀┝吭u估熱損傷、機械指數(shù)評估空化損傷分析討論熱損傷和空化損傷的區(qū)域,研究相控換能器輸入總功率與工作頻率等參數(shù)的對HIFU形成焦域的影響;研究兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離、兩信號源觸發(fā)延時和設(shè)置聚焦目標(biāo)點位置對HIFU形成焦域大小、形狀以及焦域內(nèi)熱損傷和空化損傷的影響。結(jié)果1.當(dāng)HIFU輻照的輸入總功率較低時,HIFU經(jīng)顱形成焦域達到治療溫度所需時間較長,且隨著頻率的升高在設(shè)定目標(biāo)焦點與換能器之間的組織受到熱損傷的可能性增大。2.當(dāng)HIFU輻照的輸入總功率過高時,HIFU經(jīng)顱形成焦域達到治療溫度所需時間縮短,且隨著頻率的升高在焦域與換能器之間的焦域區(qū)域外的組織處可能出現(xiàn)空化損傷。3.HIFU形成焦域最大聲壓隨輸入總功率的增大而增大,而焦域的聲壓隨頻率的升高呈先減小后增大然后再減小最后再增大的趨勢;在焦域處最高溫度一定的條件下,顱骨處溫度隨輸入總功率的增大而減小,而顱骨處溫度隨頻率的升高呈先增大后減小再增大最后再減小的趨勢。4.不同工作頻率下避免正常組織傷害的輸入總功率的范圍如下:① 0.5 MHz時輸入總功率為20.6-61.8 W;②0.6 MHz輸入總功率為41.2-82.4 W;③0.7 MHz時輸入總功率為41.2-61.8 W;④0.8 MHz時輸入總功率為41.2-61.8 W;⑤0.9 MHz時無可治療的輸入總功率;⑥1.0 MHz時輸入總功率為61.8 W。5.聲軸方向上的雙焦點融合時,設(shè)置兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離為12 mm的條件下,可有效擴大等效熱劑量熱損傷區(qū)域與MI1.9閾值區(qū)域的重疊區(qū)域;當(dāng)兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離為14 mm時設(shè)置兩信號源觸發(fā)時間差為600 ns及800 ns也可有效擴大等效熱劑量熱損傷區(qū)域與MI1.9閾值區(qū)域的重疊區(qū)域。6.雙焦域融合聚焦時不同工作頻率下避免正常組織傷害的輸入總功率的范圍如下:①0.5 MHz時的輸入總功率為41.2-123.7 W;②0.6 MHz的輸入總功率為41.2-103.1 W;③0.7 MHz時的輸入總功率為61.8-144.3 W;④0.8 MHz時的輸入總功率為41.2-103.1 W;⑤0.9 MHz時的輸入總功率為61.8-144.3 W;⑥1.0 MHz時無可治療的輸入總功率。7.垂直于聲軸方向上的雙焦點融合時,兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點對稱設(shè)置條件下形成焦域的體積小于非對稱設(shè)置時HIFU形成焦域體積。8.垂直于聲軸方向上的雙焦點融合時,當(dāng)兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離大于3 mm的條件下,HIFU經(jīng)顱形成焦域開始分離為兩個焦域;通過調(diào)節(jié)兩信號源觸發(fā)時間差,可使HIFU經(jīng)顱形成焦域會發(fā)生融合或分離。9.垂直于聲軸方向上的雙焦點融合時,當(dāng)兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離為2mm和調(diào)控兩信號源觸發(fā)時間差為200 ns的條件下,可以控制焦域的形狀為類似于平行四邊形。10.垂直于聲軸方向上的雙焦點融合時,設(shè)置兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離為3 mm的條件下,可有效擴大等效熱劑量熱損傷區(qū)域與MI1.9閾值區(qū)域的重疊區(qū)域;當(dāng)兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離為3.5 mm時,設(shè)置兩信號源觸發(fā)延時為100ns、1300 ns及1500 ns的條件下,也可有效擴大等效熱劑量熱損傷區(qū)域與MI1.9閾值區(qū)域的重疊區(qū)域。結(jié)論1.為避免顱骨和正常腦組織的熱損傷和空化損傷,HIFU經(jīng)顱治療腦部疾病時,需要篩選相控換能器工作頻率下?lián)Q能器的輸入總功率范圍。2.通過控制換能器輸入總功率、工作頻率,調(diào)控雙焦點融合時的兩個設(shè)定聚焦目標(biāo)點間距離、兩信號源觸發(fā)延時與設(shè)置聚焦目標(biāo)點位置可以控制HIFU形成焦域的等效熱劑量熱損傷區(qū)域與MI大于1.9的區(qū)域的相對大小。3.雙焦點融合聚焦較單焦域聚焦可有效擴大可安全用于治療的輸入總功率范圍。
【學(xué)位授予單位】：天津醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R739.41
【圖文】：

圖 1.1 空間笛卡爾坐標(biāo)系下中心差分的空間計算元胞(1.3)中的各個微分項可以得到：22 2( 1, , ) 2 ( , , ) ( -1, , )( )n n nd p p i j k p i j k p i j kdx dx 22 2( , 1, ) 2 ( , , ) ( , -1, )( )n n nd p p i j k p i j k p i j kdy dy 22 2( , , 1) 2 ( , , ) ( , , -1)( )n n nd p p i j k p i j k p i j kdz dz 1.6)中 n 為計算時刻，i、j、k 為 x，y、z 軸對應(yīng)的坐割步長、dy 為 y 軸方向的空間分割步長、dz 為 z 軸.1) D’Alembertian 項中，中心差分聲壓對時間的二階分割步長）：2 1 1( , , ) 2 ( , , ) ( , , )n n nd p p i j k p i j k p i j k

津醫(yī)科大學(xué)碩士學(xué)位論文 二、數(shù)值仿真模型與方二、數(shù)值仿真模型與方法.1 數(shù)值仿真模型圖 2.1 為 HIFU 經(jīng)顱治療腦腫瘤的數(shù)值仿真模型，由 82 陣元隨機分布相能器、水體、顱骨和腦組織構(gòu)成，其中 82 陣元凹球面換能器的曲率半徑 Rm、開口直徑為 100 mm、陣元直徑 d=8 mm 和 F 值(曲率半徑與開口直徑之 0.8，在相鄰陣元的中心間距不小于 8.7 mm 的條件下隨機分布陣元，其第限至第四象限陣元數(shù)目分別為 21、21、20、20，陣元直徑為 8 mm，陣元填為 52.48%[53]。人體頭顱 CT 圖像數(shù)據(jù)（46 歲男性志愿者）由天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)院提供。換能器距顱骨 50 mm，數(shù)值仿真空間為 100×100×100 mm3的正，數(shù)值仿真時間步長為 10 ns，數(shù)值仿真空間步長為 0.25 mm，模型邊界采ur 一階邊界吸收條件，z 軸為聲軸。

圖 2.2 聲軸方向上聚焦目標(biāo)點設(shè)置圖圖 2.2 為聲軸方向上聚焦目標(biāo)點設(shè)置圖，如圖 2.2 所示在治療靶區(qū)內(nèi)設(shè)置為L的 F1和F2兩個聚焦目標(biāo)位置，在 F1、F2處設(shè)置點聲源S(t ) P sin( t)，F(xiàn)D值仿真獲得換能器各陣元上的聲壓信號，經(jīng)時間反轉(zhuǎn)法處理后得到聚焦于 的各個陣元激勵信號：（2（2中 P1i、P2i為換能器各陣元激勵信號輸入聲強，φ1i、φ2i為各陣元激勵信號相位，下標(biāo) i 為陣元標(biāo)號。保證 F1、F2功率一樣時同時實現(xiàn) F1、F2處聚焦元激勵信號為：（2t為 Smi(t)相對于 Sni(t)觸發(fā)的時間延遲。m( ) sin( )i mi miS t P t ( ) sin( )ni ni niS t P t 1( ) ( )+ ( )2imi niS t S t t S t

【參考文獻】

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5 張U

本文編號：2796002