發(fā)布時間：2017-09-02 04:30

  本文關(guān)鍵詞：HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療焦域的數(shù)值仿真研究

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【摘要】：在我國,腦腫瘤為危害國民健康的前十位惡性腫瘤之一,目前,其主要療法為手術(shù)治療和放射治療,手術(shù)治療不僅風(fēng)險(xiǎn)大且易引發(fā)術(shù)后并發(fā)癥,放射治療毒副作用大。近年興起的高強(qiáng)度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound,HIFU)治療技術(shù)以其無創(chuàng)或微創(chuàng)、可多次重復(fù)治療、無毒副作用等優(yōu)勢受到眾多研究者的關(guān)注。目前HIFU治療技術(shù)已應(yīng)用于子宮肌瘤、乳腺癌和肝腫瘤等實(shí)體軟組織腫瘤的臨床治療。對于由顱骨包裹的腦腫瘤治療而言,由于顱骨結(jié)構(gòu)的非均勻性及顱骨與周圍軟組織之間的聲學(xué)特性差異較大等因素可能導(dǎo)致超聲波發(fā)生相位失真、幅值畸變、反射和散射、形成駐波等現(xiàn)象,出現(xiàn)散焦、焦點(diǎn)位置偏移、焦域形狀畸變、顱骨和周圍腦組織熱損傷或焦域溫度不足以致死靶區(qū)病變組織等問題,為了這些問題的解決,在HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療的過程中有必要精細(xì)分析腦腫瘤組織、照射頻率、照射劑量、照射方式等因素對經(jīng)顱HIFU形成聲壓場和溫度場的影響,促進(jìn)HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療早日安全、有效地應(yīng)用于臨床。研究目的目前,HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療過程中存在顱骨及其周邊軟組織溫度過高灼傷顱骨及焦點(diǎn)位置和焦域大小調(diào)控不適當(dāng)可能灼傷正常腦組織的臨床治療問題。本文以腦膠質(zhì)瘤患者為例,利用患者頭顱CT圖像數(shù)據(jù)建立HIFU經(jīng)顱治療的數(shù)值仿真模型,研究HIFU經(jīng)顱聚焦時腦腫瘤組織對HIFU形成焦域的影響,分析相控?fù)Q能器不同工作頻率,照射聲強(qiáng)、照射方式等因素對HIFU形成焦域和顱骨處溫度的影響,為促進(jìn)HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療早日安全、有效地應(yīng)用于臨床治療提供理論數(shù)據(jù)和治療方法。研究方法以腦膠質(zhì)瘤患者為例,利用患者頭顱CT圖像數(shù)據(jù)、隨機(jī)分布82陣元凹球面相控?fù)Q能器、水體建立HIFU經(jīng)顱腦腫瘤治療的數(shù)值仿真模型,基于時間反轉(zhuǎn)方法獲取相控?fù)Q能器陣元激勵信號,利用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(jìn)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。研究單次照射時腦腫瘤組織和腦組織聲學(xué)參數(shù)的差異及其對hifu形成焦域的影響;工作頻率、輸入聲強(qiáng)和照射時間對hifu形成焦域大小、顱骨處溫度的影響。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究多次照射方式下,顱骨處溫度、焦域形狀和焦域體積的變化規(guī)律。研究結(jié)果1.腦腫瘤組織和周圍腦組織的聲學(xué)參數(shù)無明顯差異但壞死腦腫瘤組織的孔隙率較大,聲速、密度及吸收系數(shù)較小;腦腫瘤組織對hifu形成聲壓場分布影響較小,對溫度場分布略有影響。2.hifu經(jīng)顱聚焦時隨著輸入頻率的增大,顱骨外駐波效應(yīng)逐漸減弱,焦域體積逐漸變小,焦點(diǎn)聲壓和旁瓣聲壓最大值逐漸增大,顱骨處聲壓最大值上下波動。3.照射時間相同時,隨著照射聲強(qiáng)的增大,焦點(diǎn)溫度、顱骨處最高溫度、焦域長短軸逐漸增大;焦點(diǎn)處溫度相同時,隨著照射聲強(qiáng)的增大,所需照射時間、顱骨處最高溫度和焦域長短軸呈非線性降低且降低幅度逐漸減小。4.在同一照射聲強(qiáng)時,隨著照射時間的延長顱骨處最高溫升與焦點(diǎn)溫升之比ratio值先減小后增大;在同一照射時間時,隨著照射聲強(qiáng)的增大ratio逐漸減小。5.當(dāng)兩次照射的焦點(diǎn)間距l(xiāng)f3mm時,隨著兩次照射之間時間間隔tc的延長,第二次照射焦點(diǎn)溫度達(dá)到90℃所需照射時間逐漸增大,且增大幅度逐漸減小;當(dāng)兩次照射的焦點(diǎn)間距l(xiāng)f≥3mm時,隨著兩次照射之間時間間隔tc的延長,第二次照射焦點(diǎn)溫度達(dá)到90℃所需照射時間相同;當(dāng)兩次照射的焦點(diǎn)間距一定時,隨著兩次照射之間時間間隔tc的延長顱骨處最高溫度逐漸降低,但降低幅度很小。6.在兩次照射之間相同時間間隔tc的條件下,隨著兩焦點(diǎn)間距的增大,兩次照射累計(jì)損傷焦域體積先增大后減小,且在兩焦點(diǎn)間距l(xiāng)f=3mm時達(dá)到最大值;當(dāng)兩焦點(diǎn)間距l(xiāng)f為1mm和2mm時,隨兩次照射之間時間間隔tc的延長兩次照射累計(jì)損傷焦域體積逐漸增大;當(dāng)焦點(diǎn)間距l(xiāng)f為3mm-5mm時隨兩次照射之間時間間隔tc的延長兩次照射累計(jì)損傷焦域體積逐漸減小;當(dāng)兩焦點(diǎn)間距l(xiāng)f=5mm時,兩焦點(diǎn)之間出現(xiàn)不能達(dá)到55℃以上致死腦腫瘤的區(qū)域,且隨著兩焦點(diǎn)時間間隔tc的延長其不能致死腦腫瘤的區(qū)域逐漸增大。7.在同焦點(diǎn)位置多次照射的條件下,當(dāng)每次照射焦點(diǎn)峰值溫度在同一溫度時,隨著照射次數(shù)的增加,焦域體積逐漸增大,但增大幅度很小;當(dāng)照射時間一定時,隨著照射次數(shù)的增加,焦域體積逐漸增大,增大幅度逐漸降低。在多焦點(diǎn)位置多次照射的條件下,當(dāng)控制每次照射的焦點(diǎn)溫度相同時,其形成的損傷焦域形狀不規(guī)則,且顱骨處最高溫度和所需照射時間上下波動;當(dāng)控制每次照射時間相同時,可能產(chǎn)生不能致死腦腫瘤的焦點(diǎn)。研究結(jié)論1.腦腫瘤組織與腦組織無明顯的聲學(xué)參數(shù)差異,但與壞死腦腫瘤組織有一定差異;腦腫瘤組織對HIFU形成聲壓場分布幾乎沒有影響,對溫度場分布略有影響。2.照射聲強(qiáng)越大,焦點(diǎn)溫度達(dá)到同一溫度所需照射時間越短,焦域長短軸越短,顱骨處溫度越低。3.通過不同的照射方式可以對HIFU經(jīng)顱聚焦形成的焦域溫度、焦域體積大小、顱骨處溫度進(jìn)行調(diào)控。
【關(guān)鍵詞】：高強(qiáng)度聚焦超聲 腦腫瘤 焦域 顱骨
【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】：2016
【分類號】：R739.41
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-13
• 縮略語/符號說明13-14
• 一、前言14-19
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 研究目的16
• 1.3 研究內(nèi)容16-19
• 二、基本方程19-26
• 2.1 Westervelt聲波傳播方程19-22
• 2.1.1 Westervelt方程式的FDTD差分19-21
• 2.1.2 聲場邊界處理21-22
• 2.2 生物熱傳導(dǎo)方程22-24
• 2.2.1 Pennes生物熱傳導(dǎo)方程22-23
• 2.2.2 熱傳導(dǎo)方程式的FDTD差分23-24
• 2.2.3 溫度場邊界處理24
• 2.3 陣元激勵信號24-26
• 三、數(shù)值仿真模型與參數(shù)26-28
• 3.1 數(shù)值仿真模型26-27
• 3.2 仿真參數(shù)27-28
• 四、仿真結(jié)果28-45
• 4.1 腫瘤組織對焦域的影響28-32
• 4.2 頻率對焦域的影響32-34
• 4.3 輸入聲強(qiáng)對焦域的影響34-35
• 4.4 照射時間對焦域的影響35-36
• 4.5 二次照射焦點(diǎn)間距和照射時間間隔的影響36-39
• 4.6 照射方式的影響39-45
• 4.6.1 同焦點(diǎn)位置多次照射39-42
• 4.6.2 焦域疊加照射42-45
• 五、結(jié)論與討論45-48
• 5.1 結(jié)論45-46
• 5.2 討論46-48
• 參考文獻(xiàn)48-53
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明53-54
• 綜述 HIFU顱腦治療的研究現(xiàn)狀54-68
• 綜述參考文獻(xiàn)63-68
• 致謝68-69
• 個人簡歷69

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本文編號：776414