本文關鍵詞：HIFU經顱腦腫瘤治療焦域的數(shù)值仿真研究

  更多相關文章： 高強度聚焦超聲 腦腫瘤 焦域 顱骨

【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,其主要療法為手術治療和放射治療,手術治療不僅風險大且易引發(fā)術后并發(fā)癥,放射治療毒副作用大。近年興起的高強度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound,HIFU)治療技術以其無創(chuàng)或微創(chuàng)、可多次重復治療、無毒副作用等優(yōu)勢受到眾多研究者的關注。目前HIFU治療技術已應用于子宮肌瘤、乳腺癌和肝腫瘤等實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,由于顱骨結構的非均勻性及顱骨與周圍軟組織之間的聲學特性差異較大等因素可能導致超聲波發(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經顱腦腫瘤治療的過程中有必要精細分析腦腫瘤組織、照射頻率、照射劑量、照射方式等因素對經顱HIFU形成聲壓場和溫度場的影響,促進HIFU經顱腦腫瘤治療早日安全、有效地應用于臨床。研究目的目前,HIFU經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位置和焦域大小調控不適當可能灼傷正常腦組織的臨床治療問題。本文以腦膠質瘤患者為例,利用患者頭顱CT圖像數(shù)據建立HIFU經顱治療的數(shù)值仿真模型,研究HIFU經顱聚焦時腦腫瘤組織對HIFU形成焦域的影響,分析相控換能器不同工作頻率,照射聲強、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HIFU經顱腦腫瘤治療早日安全、有效地應用于臨床治療提供理論數(shù)據和治療方法。研究方法以腦膠質瘤患者為例,利用患者頭顱CT圖像數(shù)據、隨機分布82陣元凹球面相控換能器、水體建立HIFU經顱腦腫瘤治療的數(shù)值仿真模型,基于時間反轉方法獲取相控換能器陣元激勵信號,利用時域有限差分方法對Westervelt非線性傳播方程和Pennes生物熱傳導方程進行中心差分,數(shù)值仿真并分析HIFU經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。在此基礎上進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。研究結果1.腦腫瘤組織和周圍腦組織的聲學參數(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經顱聚焦時隨著輸入頻率的增大,顱骨外駐波效應逐漸減弱,焦域體積逐漸變小,焦點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,隨著照射聲強的增大,焦點溫度、顱骨處最高溫度、焦域長短軸逐漸增大;焦點處溫度相同時,隨著照射聲強的增大,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.在同一照射聲強時,隨著照射時間的延長顱骨處最高溫升與焦點溫升之比ratio值先減小后增大;在同一照射時間時,隨著照射聲強的增大ratio逐漸減小。5.當兩次照射的焦點間距l(xiāng)f3mm時,隨著兩次照射之間時間間隔tc的延長,第二次照射焦點溫度達到90℃所需照射時間逐漸增大,且增大幅度逐漸減小;當兩次照射的焦點間距l(xiāng)f≥3mm時,隨著兩次照射之間時間間隔tc的延長,第二次照射焦點溫度達到90℃所需照射時間相同;當兩次照射的焦點間距一定時,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,隨著兩焦點間距的增大,兩次照射累計損傷焦域體積先增大后減小,且在兩焦點間距l(xiāng)f=3mm時達到最大值;當兩焦點間距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損傷焦域體積逐漸增大;當焦點間距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損傷焦域體積逐漸減小;當兩焦點間距l(xiāng)f=5mm時,兩焦點之間出現(xiàn)不能達到55℃以上致死腦腫瘤的區(qū)域,且隨著兩焦點時間間隔tc的延長其不能致死腦腫瘤的區(qū)域逐漸增大。7.在同焦點位置多次照射的條件下,當每次照射焦點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。在多焦點位置多次照射的條件下,當控制每次照射的焦點溫度相同時,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;當控制每次照射時間相同時,可能產生不能致死腦腫瘤的焦點。研究結論1.腦腫瘤組織與腦組織無明顯的聲學參數(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.照射聲強越大,焦點溫度達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經顱聚焦形成的焦域溫度、焦域體積大小、顱骨處溫度進行調控。
【關鍵詞】：高強度聚焦超聲 腦腫瘤 焦域 顱骨
【學位授予單位】：天津醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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 生物熱傳導方程22-24
• 2.2.1 Pennes生物熱傳導方程22-23
• 2.2.2 熱傳導方程式的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 同焦點位置多次照射39-42
• 4.6.2 焦域疊加照射42-45
• 五、結論與討論45-48
• 5.1 結論45-46
• 5.2 討論46-48
• 參考文獻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63-68
• 致謝68-69
• 個人簡歷69

，

本文編號：776414