高強(qiáng)度聚焦超聲肝腫瘤治療的離體組織實(shí)驗(yàn)及仿真研究.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound，HIFU)是近年來興起的一種無創(chuàng)或者微創(chuàng)性局部高溫治療腫瘤的新技術(shù)，已應(yīng)用于臨床治療實(shí)體行腫瘤。但由于治療過程中溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控、劑量問題尚未解決，在臨床治療過程中可能出現(xiàn)腫瘤組織殘存或者過度治療等問題，其安全性和可靠性無法保障，嚴(yán)重限制了HIFU在臨床應(yīng)用中的推廣。
　　研究目的：
　　以離體肝組織為例，通過離體組織實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值

2、仿真方法，利用驗(yàn)證后的數(shù)值仿真方法，以肝腫瘤為例數(shù)值仿真研究HIFU形成焦域的溫度場(chǎng)分布，對(duì)不同輸入時(shí)可治療焦域的變化情況及同一大小可治療焦域所需輸入能量進(jìn)行數(shù)值仿真研究。其研究結(jié)果可為臨床HIFU肝腫瘤治療劑量及其治療方案的制定提供理論參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。
　　研究方法：
　　采用森田長(zhǎng)吉等人根據(jù)Westervelt方程式提出的高強(qiáng)度聚焦超聲波非線性傳播近似式，數(shù)值計(jì)算不同時(shí)間和空間的聲壓和質(zhì)子速度，并結(jié)合Pennes生物

3、熱傳導(dǎo)方程，通過時(shí)域有限差分方法(Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)數(shù)值仿真計(jì)算HIFU形成的溫度場(chǎng)，并將60℃區(qū)域作為可治療焦域(treatable focal region，TFR)計(jì)算其體積，并與離體組織實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證仿真方法。在此基礎(chǔ)上，建立肝腫瘤仿真模型，數(shù)值仿真輻照時(shí)間、輻照聲強(qiáng)以及換能器與組織間的距離對(duì)可治療焦域體積的影響，并對(duì)腫瘤組織內(nèi)可治療焦域形狀在輻照階段及冷卻階段的變化，以及腫

4、瘤組織內(nèi)溫度閾值與熱劑量閾值判定損傷大小的差異進(jìn)行探討。
　　研究結(jié)果：
　　1.離體牛肝實(shí)驗(yàn)得到的損傷體積與數(shù)值仿真60℃以上區(qū)域體積非常接近，誤差不超過10％。
　　2.在考慮肝組織聲學(xué)特性隨溫度變化的條件下，相同輻照聲強(qiáng)下腫瘤內(nèi)形成可治療焦域的時(shí)間比正常肝組織內(nèi)要短;相同輻照條件下，腫瘤內(nèi)可治療焦域體積明顯大于正常肝組織內(nèi)可治療區(qū)域體積。
　　3.在輻照聲強(qiáng)相同的條件下，腫瘤組織內(nèi)形成的可治療焦域體積隨輻照

5、時(shí)間增長(zhǎng)而非線性增加。
　　4.在輻照時(shí)間一定的條件下，腫瘤組織內(nèi)形成的可治療焦域體積隨聲強(qiáng)增大而非線性增大;
　　5.相同的可治療焦域體積條件，輻照聲強(qiáng)和輻照時(shí)間呈負(fù)相關(guān);
　　6.當(dāng)組織內(nèi)最高溫度為90±1℃時(shí)，可治療焦域體積隨著輻照聲強(qiáng)增大而減小，且腫瘤內(nèi)焦域體積大于正常肝組織內(nèi)焦域體積。
　　7.當(dāng)輻照條件相同時(shí)，換能器與離體組織間距離越小，目標(biāo)組織溫升越慢，相應(yīng)的形成可治療焦域體積增長(zhǎng)速度也越慢。

6、>　　8.在輻照階段，腫瘤內(nèi)可治療焦域長(zhǎng)軸和短軸均隨輻照時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，長(zhǎng)軸變化速度更快;當(dāng)輻照停止后，在冷卻階段可治療焦域長(zhǎng)軸幾乎沒有變化，短軸略有增長(zhǎng)。
　　9.輻照聲強(qiáng)0.6～1.5W/cm2的條件下，用溫度閾值判定的可治療區(qū)域比用熱劑量閾值判定的可治療區(qū)域小，這種差別隨著輻照聲強(qiáng)的增大而減小。
　　研究結(jié)論：
　　1.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，溫度閾值法60℃可以預(yù)測(cè)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)小于10％誤差的損傷體積。
　　2.與正