HIFU经颅脑肿瘤治疗焦域的数值仿真研究

发布时间：2017-09-02 04:30

  本文关键词：HIFU经颅脑肿瘤治疗焦域的数值仿真研究

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【摘要】：在我国,脑肿瘤为危害国民健康的前十位恶性肿瘤之一,目前,其主要疗法为手术治疗和放射治疗,手术治疗不仅风险大且易引发术后并发症,放射治疗毒副作用大。近年兴起的高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)治疗技术以其无创或微创、可多次重复治疗、无毒副作用等优势受到众多研究者的关注。目前HIFU治疗技术已应用于子宫肌瘤、乳腺癌和肝肿瘤等实体软组织肿瘤的临床治疗。对于由颅骨包裹的脑肿瘤治疗而言,由于颅骨结构的非均匀性及颅骨与周围软组织之间的声学特性差异较大等因素可能导致超声波发生相位失真、幅值畸变、反射和散射、形成驻波等现象,出现散焦、焦点位置偏移、焦域形状畸变、颅骨和周围脑组织热损伤或焦域温度不足以致死靶区病变组织等问题,为了这些问题的解决,在HIFU经颅脑肿瘤治疗的过程中有必要精细分析脑肿瘤组织、照射频率、照射剂量、照射方式等因素对经颅HIFU形成声压场和温度场的影响,促进HIFU经颅脑肿瘤治疗早日安全、有效地应用于临床。研究目的目前,HIFU经颅脑肿瘤治疗过程中存在颅骨及其周边软组织温度过高灼伤颅骨及焦点位置和焦域大小调控不适当可能灼伤正常脑组织的临床治疗问题。本文以脑胶质瘤患者为例,利用患者头颅CT图像数据建立HIFU经颅治疗的数值仿真模型,研究HIFU经颅聚焦时脑肿瘤组织对HIFU形成焦域的影响,分析相控换能器不同工作频率,照射声强、照射方式等因素对HIFU形成焦域和颅骨处温度的影响,为促进HIFU经颅脑肿瘤治疗早日安全、有效地应用于临床治疗提供理论数据和治疗方法。研究方法以脑胶质瘤患者为例,利用患者头颅CT图像数据、随机分布82阵元凹球面相控换能器、水体建立HIFU经颅脑肿瘤治疗的数值仿真模型,基于时间反转方法获取相控换能器阵元激励信号,利用时域有限差分方法对Westervelt非线性传播方程和Pennes生物热传导方程进行中心差分,数值仿真并分析HIFU经颅聚焦形成的声压场和温度场。研究单次照射时脑肿瘤组织和脑组织声学参数的差异及其对hifu形成焦域的影响;工作频率、输入声强和照射时间对hifu形成焦域大小、颅骨处温度的影响。在此基础上进一步研究多次照射方式下,颅骨处温度、焦域形状和焦域体积的变化规律。研究结果1.脑肿瘤组织和周围脑组织的声学参数无明显差异但坏死脑肿瘤组织的孔隙率较大,声速、密度及吸收系数较小;脑肿瘤组织对hifu形成声压场分布影响较小,对温度场分布略有影响。2.hifu经颅聚焦时随着输入频率的增大,颅骨外驻波效应逐渐减弱,焦域体积逐渐变小,焦点声压和旁瓣声压最大值逐渐增大,颅骨处声压最大值上下波动。3.照射时间相同时,随着照射声强的增大,焦点温度、颅骨处最高温度、焦域长短轴逐渐增大;焦点处温度相同时,随着照射声强的增大,所需照射时间、颅骨处最高温度和焦域长短轴呈非线性降低且降低幅度逐渐减小。4.在同一照射声强时,随着照射时间的延长颅骨处最高温升与焦点温升之比ratio值先减小后增大;在同一照射时间时,随着照射声强的增大ratio逐渐减小。5.当两次照射的焦点间距lf3mm时,随着两次照射之间时间间隔tc的延长,第二次照射焦点温度达到90℃所需照射时间逐渐增大,且增大幅度逐渐减小;当两次照射的焦点间距lf≥3mm时,随着两次照射之间时间间隔tc的延长,第二次照射焦点温度达到90℃所需照射时间相同;当两次照射的焦点间距一定时,随着两次照射之间时间间隔tc的延长颅骨处最高温度逐渐降低,但降低幅度很小。6.在两次照射之间相同时间间隔tc的条件下,随着两焦点间距的增大,两次照射累计损伤焦域体积先增大后减小,且在两焦点间距lf=3mm时达到最大值;当两焦点间距lf为1mm和2mm时,随两次照射之间时间间隔tc的延长两次照射累计损伤焦域体积逐渐增大;当焦点间距lf为3mm-5mm时随两次照射之间时间间隔tc的延长两次照射累计损伤焦域体积逐渐减小;当两焦点间距lf=5mm时,两焦点之间出现不能达到55℃以上致死脑肿瘤的区域,且随着两焦点时间间隔tc的延长其不能致死脑肿瘤的区域逐渐增大。7.在同焦点位置多次照射的条件下,当每次照射焦点峰值温度在同一温度时,随着照射次数的增加,焦域体积逐渐增大,但增大幅度很小;当照射时间一定时,随着照射次数的增加,焦域体积逐渐增大,增大幅度逐渐降低。在多焦点位置多次照射的条件下,当控制每次照射的焦点温度相同时,其形成的损伤焦域形状不规则,且颅骨处最高温度和所需照射时间上下波动;当控制每次照射时间相同时,可能产生不能致死脑肿瘤的焦点。研究结论1.脑肿瘤组织与脑组织无明显的声学参数差异,但与坏死脑肿瘤组织有一定差异;脑肿瘤组织对HIFU形成声压场分布几乎没有影响,对温度场分布略有影响。2.照射声强越大,焦点温度达到同一温度所需照射时间越短,焦域长短轴越短,颅骨处温度越低。3.通过不同的照射方式可以对HIFU经颅聚焦形成的焦域温度、焦域体积大小、颅骨处温度进行调控。
【关键词】：高强度聚焦超声 脑肿瘤 焦域 颅骨
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R739.41
【目录】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-13
• 缩略语/符号说明13-14
• 一、前言14-19
• 1.1 研究背景14-16
• 1.2 研究目的16
• 1.3 研究内容16-19
• 二、基本方程19-26
• 2.1 Westervelt声波传播方程19-22
• 2.1.1 Westervelt方程式的FDTD差分19-21
• 2.1.2 声场边界处理21-22
• 2.2 生物热传导方程22-24
• 2.2.1 Pennes生物热传导方程22-23
• 2.2.2 热传导方程式的FDTD差分23-24
• 2.2.3 温度场边界处理24
• 2.3 阵元激励信号24-26
• 三、数值仿真模型与参数26-28
• 3.1 数值仿真模型26-27
• 3.2 仿真参数27-28
• 四、仿真结果28-45
• 4.1 肿瘤组织对焦域的影响28-32
• 4.2 频率对焦域的影响32-34
• 4.3 输入声强对焦域的影响34-35
• 4.4 照射时间对焦域的影响35-36
• 4.5 二次照射焦点间距和照射时间间隔的影响36-39
• 4.6 照射方式的影响39-45
• 4.6.1 同焦点位置多次照射39-42
• 4.6.2 焦域叠加照射42-45
• 五、结论与讨论45-48
• 5.1 结论45-46
• 5.2 讨论46-48
• 参考文献48-53
• 发表论文和参加科研情况说明53-54
• 综述 HIFU颅脑治疗的研究现状54-68
• 综述参考文献63-68
• 致谢68-69
• 个人简历69

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本文编号：776414