空化效应增强高强度聚焦超声治疗疗效的研究
发布时间：2020-12-17 08:31
高强度聚焦超声(HIFU)作为一种新兴的肿瘤治疗方法,以其无创、靶向的特点受到了人们越来越多的关注。HIFU技术将体外超声能量聚焦至靶区,在靶区组织内迅速形成温升,造成目标肿瘤组织的不可逆热凝固,以此杀灭肿瘤细胞,但不损伤周围正常组织,实现非侵入的超声肿瘤治疗。空化效应是指超声作用下液体中微气泡的形成、振动与破灭的运动过程以及这种复杂动力学过程对生物组织作用所产生的效果。HIFU治疗肿瘤的主要机制是热效应,但HIFU声场焦域的声强很高,焦点负声压幅值可以达到约100MPa,足以引起超声空化效应。早期的一些研究认为在HIFU治疗过程中,应当尽量避免空化效应的发生。但近年来,随着空化效应调控技术的日益成熟,在靶向给药、HIFU治疗等研究方向中,空化效应的应用也得到更多关注。当HIFU声场焦域有空化微泡存在时,空化效应作为一种集聚能量的有效方法,会显著增强HIFU的热效应。但空化效应的特点是非可控性和非预测性,因而空化效应的量化监控一直是研究难点。本论文开展空化效应增强高强度聚焦超声治疗的研究,主要内容包括两个方面:(1)基于商用B超成像系统实现HIFU治疗中声空化效应的实时影像监控;(2)...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 引言
1.1 高强度聚焦超声（HIFU）技术
1.1.1 发展历史
1.1.2 HIFU技术亟待解决的关键问题
1.2 空化效应
1.2.1 超声空化效应
1.2.2 HIFU治疗中的声空化
1.2.3 HIFU空化效应的意义
1.3 本文研究的主要内容
参考文献
第二章 高强度聚焦超声的基本理论
2.1 HIFU的治疗频率
2.2 理想流体中的线性声场
2.3 粘滞流体中有限振幅波的传播
2.3.1 Westervelt方程
2.3.2 KZK方程
2.4 大张角聚焦换能器的非线性声场模型
2.5 生物组织的色散
2.6 生物组织中的热效应
2.7 小结
参考文献
第三章 空化效应
3.1 气泡动力学理论
3.1.1 Rayleigh-Plesset模型（RP模型）
3.1.2 RPNNP模型
3.1.3 共振频率
3.2 空化效应
3.2.1 稳态空化
3.2.2 惯性空化
3.3 空化效应相关的生物效应
3.4 空化效应提高热效应的物理机制
3.5 空化效应的检测
3.5.1 光学方法
3.5.2 主动空化检测
3.5.3 被动空化检测
3.5.4 B超图像中高亮区监测空化
3.6 小结
参考文献
第四章 空化效应的实时检测
4.1 空化检测的发展现状
4.2 实验系统及方法
4.2.1 凝胶制备
4.2.2 实验系统
4.2.3 数据采集
4.3 图像处理
4.3.1 有效图像的选取
4.3.2 干扰成分的去除
4.3.3 空化气泡云的计算
4.4 实验结果和分析
4.5 小结
参考文献
第五章 空化效应增强HIFU产生的温升及组织损伤
5.1 研究背景
5.2 理论与方法
5.2.1 非线性声学与生物传热模型
5.2.2 样品及实验方法
5.3 结果与讨论
5.3.1 HIFU引起的凝胶损伤
5.3.2 HIFU引起的肝组织样本损伤
5.3.3 空化对损伤形成的影响
5.4 小结
参考文献
第六章 结论及展望
博士期间发表论文及学术活动
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于体内碎石的超声振动系统设计[J]. 沙智华,张国洋,马付建,刘宇,张生芳. 压电与声光. 2015(06)
[2]Correlation between microbubble-induced acoustic cavitation and hemolysis in vitro[J]. 张春兵,刘政,郭霞生,章东. Chinese Physics B. 2011(02)
[3]Enhancement of antitumor vaccine in ablated hepatocellular carcinoma by high-intensity focused ultrasound[J]. Ying Zhang,Jian Deng,Jun Feng,Feng Wu,Institute of Ultrasonic Engineering in Medicine,Chongqing Medical University,Chongqing 400016,China. World Journal of Gastroenterology. 2010(28)
[4]聚焦超声单次治疗慢性软组织损伤兔局部肌组织前列腺素E2、pH值以及血浆β-内啡肽的变化[J]. 王涛,苏静,陈文直,王智彪. 中国组织工程研究与临床康复. 2008(13)
[5]UNDERWATER ACOUSTICS AND CAVITATING FLOW OF WATER ENTRY[J]. 施红辉,KUME Makoto. Acta Mechanica Sinica. 2004(04)
[6]超声热疗技术的发展与应用[J]. 翟 亮,孙福成,蒋继伟,萧翔麟,钱晓平,王一抗,俞仁康,徐勇江,张洪峰. 中国医疗器械杂志. 2002(04)
[7]单泡声致发光中气泡的动力学特性——振子模型[J]. 钱梦騄,程茜,葛曹燕. 声学学报. 2002(04)
本文编号：2921747
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 引言
1.1 高强度聚焦超声（HIFU）技术
1.1.1 发展历史
1.1.2 HIFU技术亟待解决的关键问题
1.2 空化效应
1.2.1 超声空化效应
1.2.2 HIFU治疗中的声空化
1.2.3 HIFU空化效应的意义
1.3 本文研究的主要内容
参考文献
第二章 高强度聚焦超声的基本理论
2.1 HIFU的治疗频率
2.2 理想流体中的线性声场
2.3 粘滞流体中有限振幅波的传播
2.3.1 Westervelt方程
2.3.2 KZK方程
2.4 大张角聚焦换能器的非线性声场模型
2.5 生物组织的色散
2.6 生物组织中的热效应
2.7 小结
参考文献
第三章 空化效应
3.1 气泡动力学理论
3.1.1 Rayleigh-Plesset模型（RP模型）
3.1.2 RPNNP模型
3.1.3 共振频率
3.2 空化效应
3.2.1 稳态空化
3.2.2 惯性空化
3.3 空化效应相关的生物效应
3.4 空化效应提高热效应的物理机制
3.5 空化效应的检测
3.5.1 光学方法
3.5.2 主动空化检测
3.5.3 被动空化检测
3.5.4 B超图像中高亮区监测空化
3.6 小结
参考文献
第四章 空化效应的实时检测
4.1 空化检测的发展现状
4.2 实验系统及方法
4.2.1 凝胶制备
4.2.2 实验系统
4.2.3 数据采集
4.3 图像处理
4.3.1 有效图像的选取
4.3.2 干扰成分的去除
4.3.3 空化气泡云的计算
4.4 实验结果和分析
4.5 小结
参考文献
第五章 空化效应增强HIFU产生的温升及组织损伤
5.1 研究背景
5.2 理论与方法
5.2.1 非线性声学与生物传热模型
5.2.2 样品及实验方法
5.3 结果与讨论
5.3.1 HIFU引起的凝胶损伤
5.3.2 HIFU引起的肝组织样本损伤
5.3.3 空化对损伤形成的影响
5.4 小结
参考文献
第六章 结论及展望
博士期间发表论文及学术活动
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于体内碎石的超声振动系统设计[J]. 沙智华,张国洋,马付建,刘宇,张生芳. 压电与声光. 2015(06)
[2]Correlation between microbubble-induced acoustic cavitation and hemolysis in vitro[J]. 张春兵,刘政,郭霞生,章东. Chinese Physics B. 2011(02)
[3]Enhancement of antitumor vaccine in ablated hepatocellular carcinoma by high-intensity focused ultrasound[J]. Ying Zhang,Jian Deng,Jun Feng,Feng Wu,Institute of Ultrasonic Engineering in Medicine,Chongqing Medical University,Chongqing 400016,China. World Journal of Gastroenterology. 2010(28)
[4]聚焦超声单次治疗慢性软组织损伤兔局部肌组织前列腺素E2、pH值以及血浆β-内啡肽的变化[J]. 王涛,苏静,陈文直,王智彪. 中国组织工程研究与临床康复. 2008(13)
[5]UNDERWATER ACOUSTICS AND CAVITATING FLOW OF WATER ENTRY[J]. 施红辉,KUME Makoto. Acta Mechanica Sinica. 2004(04)
[6]超声热疗技术的发展与应用[J]. 翟 亮,孙福成,蒋继伟,萧翔麟,钱晓平,王一抗,俞仁康,徐勇江,张洪峰. 中国医疗器械杂志. 2002(04)
[7]单泡声致发光中气泡的动力学特性——振子模型[J]. 钱梦騄,程茜,葛曹燕. 声学学报. 2002(04)
本文编号：2921747
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