腫瘤熱療中組織溫度場(chǎng)測(cè)量方法及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、腫瘤熱療是指利用某種加熱方法把腫瘤組織加熱至超過其耐熱溫度以殺死癌細(xì)胞,其包括溫?zé)岑煼ê透邷責(zé)崮谭▋煞N。溫?zé)岑煼ㄊ羌訜崮[瘤至42.5-45℃并保持一定時(shí)間(通常為數(shù)分鐘到幾十分鐘),抑制腫瘤組織的生長(zhǎng)以達(dá)到治療癌癥的目的。高溫?zé)崮谭ㄊ菍⒛[瘤組織加熱到較高的溫度(一般為60℃即刻,或54℃保持一分鐘)而使腫瘤完全性壞死。近十年來(lái),隨著微波技術(shù),特別是植入式微波技術(shù)、射頻技術(shù)及高能聚焦超聲技術(shù)的發(fā)展,高溫?zé)崮摊煼òl(fā)展迅速,已成為一種臨

2、床實(shí)用的腫瘤治療手段。 一個(gè)有效的熱療必須將被治療組織中的溫度分布控制在適宜范圍內(nèi),因此對(duì)組織溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)控非常重要。目前臨床上多采用的有創(chuàng)測(cè)溫技術(shù)也稱侵入式測(cè)量,是把熱電偶、熱敏電阻之類的溫度傳感器插入待測(cè)部位進(jìn)行單點(diǎn)或多點(diǎn)的直接測(cè)溫,然而侵入腫瘤進(jìn)行溫度測(cè)量的方法相對(duì)危險(xiǎn),并有很多技術(shù)上的缺陷。國(guó)內(nèi)外已有不少癌熱療無(wú)創(chuàng)測(cè)溫方面的研究報(bào)導(dǎo),超聲測(cè)溫就是其中之一。超聲測(cè)溫是利用超聲波的某些聲特性參數(shù)與溫度的相關(guān)性以獲取組織溫度

3、信息,相比其它無(wú)創(chuàng)測(cè)溫方法有更好的優(yōu)越性。 本文的工作就是研究熱療中組織溫度的無(wú)創(chuàng)測(cè)量方法及其關(guān)鍵技術(shù),通過分析各種測(cè)溫方法的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)肝癌熱療中組織溫度無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的實(shí)際需要,從信號(hào)和圖像處理兩個(gè)角度：即基于超聲回波信號(hào)的時(shí)移和組織B超特征與溫度的相關(guān)性探尋超聲無(wú)創(chuàng)測(cè)溫技術(shù)。目的是為了在治療過程中及治療前后,利用醫(yī)學(xué)超聲信息實(shí)現(xiàn)組織溫度場(chǎng)的無(wú)創(chuàng)測(cè)量和凝固區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 主要研究?jī)?nèi)容可分為以下四個(gè)部分： (1)在超

4、聲測(cè)溫原理分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)超聲無(wú)創(chuàng)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究生物組織超聲回波時(shí)移與其溫度的相關(guān)性。以去氣水和新鮮的離體豬肝為研究對(duì)象,采用互相關(guān)技術(shù)精確提取溫度變化引起的組織背向反射超聲回波時(shí)移。研究結(jié)果表明：組織內(nèi)超聲聲速隨溫度的變化而變化,它與加熱區(qū)域內(nèi)的組織熱膨脹共同引起了回波時(shí)移的變化：回波時(shí)移與溫度之間有明顯的相關(guān)性,且具有較為穩(wěn)定的線性相關(guān)函數(shù)?；诨夭〞r(shí)移的溫度相關(guān)性,設(shè)計(jì)了超聲測(cè)溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射接收器、高速AD

5、采集卡和計(jì)算機(jī)組成,實(shí)現(xiàn)了溫度的無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示。 (2)研究熱療中生物組織B型超聲特征參數(shù)的變化,以期利用B超特征參數(shù)的溫度相關(guān)性實(shí)現(xiàn)熱療的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)。采用水域和微波介入兩種加熱方式,獲取溫?zé)岑煼ê透邷責(zé)崮讨委熯^程中離體動(dòng)物(豬、牛)肝臟的B超圖像,利用圖像處理方法提取不同溫度下的組織B超特征參數(shù)(灰度及其梯度變化、功率譜密度、紋理結(jié)構(gòu)等參數(shù)),并分析其溫度相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：組織B超圖像灰度與溫度具有明顯的相關(guān)性,平均相關(guān)

6、系數(shù)約為0.9,變化總趨勢(shì)是隨著溫度的升高灰度值增大,基本成線性變化。圖像灰度梯度與組織溫度的相關(guān)系數(shù)約為0.7。此外,圖像功率譜密度、密度標(biāo)準(zhǔn)偏差、不均勻度等也隨著組織的溫度升高而變化,這與高溫消融情況下組織蛋白固化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符。初步研究結(jié)果證實(shí)了熱療中以監(jiān)測(cè)組織B超特征變化為基礎(chǔ),達(dá)到無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)組織溫度變化的可行性。 (3)研究臨床上治療肝癌的新型水冷卻微波天線的熱場(chǎng)分布,以期在熱療前對(duì)微波熱療溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬精確預(yù)測(cè)。水冷卻

7、微波加熱天線可減小組織炭化區(qū)域,并且在同樣加熱條件下增大組織的凝固區(qū)域。利用自制的直徑細(xì)且阻抗高的熱電偶,在標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)肝組織等效體模中測(cè)量微波輻射熱場(chǎng)的比吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)分布,為微波熱療溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真和手術(shù)規(guī)劃奠定基礎(chǔ)?？紤]到組織熱物性特征隨溫度的變化,為了提高天線附近模擬溫度場(chǎng)的逼真度,通過離體豬肝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正,獲得了部分熱凝固區(qū)的形狀大小和溫升規(guī)律。 (4)超聲組織定征在微

8、波熱療監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究。超聲組織定征是指利用組織聲特征參數(shù)反映組織生理和病理信息,它的研究與完善將為腫瘤熱療帶來(lái)更大的發(fā)展前景。本文提出并分析了熱療中超聲背向散射積分值(Integrated Backscatter,IBS)的變化趨勢(shì)及其溫度相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)在微波熱消融治療過程中,溫升和凝固性壞死造成了組織結(jié)構(gòu)的變化,超聲背向散射積分值呈先增大后減小的趨勢(shì)。這種非可逆的變化,在一定程度上反映了組織消融情況,據(jù)此可監(jiān)測(cè)熱凝固區(qū)的變化和評(píng)估