高强度聚焦超声换能器优化及生物组织传热研究

【摘要】：高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是一种新型无创的肿瘤治疗技术。尽管HIFU已被广泛应用于各种良恶性实体肿瘤的治疗,但仍然存在一些关键问题亟需解决。本论文围绕HIFU技术优化开展了两方面的工作:(1)设计并实现了 HIFU超构聚焦换能器,以提高聚焦增益及焦域的温升;(2)基于傅里叶及非傅里叶热传导,研究了 HIFU辐照生物组织过程中的温升。声人工结构可以获得特定频率的声异常透射(Extraordinary Acoustic Transmission,EAT),进而实现换能器的聚焦增强。本论文基于声人工结构设计并制作了超构聚焦换能器,以增强HIFU换能器聚焦效率。从理论及实验两方面研究了超构聚焦换能器与传统凹面换能器的声压分布和在组织中产生的温升。研究结果表明:相比传统凹面换能器,具有亚波长周期结构的超构聚焦换能器能够有效增强聚焦增益和焦点处组织温升;球弧周期槽阵列的使用对靠近伍德异常处EAT发生的频率具有调制作用,将有助于进一步解释EAT的物理机理。生物传热学Pennes方程广泛应用于描述生物组织中的热效应。但该方程的热传导项基于傅里叶定律,假定热传播为瞬态过程,存在缺陷。本文开展了 HIFU作用下生物组织的热效应研究,以仿组织体模和离体牛肝组织为研究对象,比较了基于傅里叶定律的Pennes方程、基于非傅里叶定律的热波模型(Thermal wave model of bio-heat transfer,TWMBT)和双相位迟滞模型(Dual phase-lag,DPL)对生物组织的温升预测。研究结果表明:(1)对于较为均匀的仿组织体模,Pennes方程可以准确预测聚焦超声辐照初期的焦点温升,但随着辐照时间的延长,理论结果与实际温升差距逐渐变大;(2)对于各向异性的离体牛肝组织,焦点温升更接近非傅里叶生物传热模型,特别是DPL模型的预测结果;(3)DPL模型中,通过调整表征微结构相互作用的热弛豫时间可以实现生物组织中温升的准确预测。本论文的研究结果对HIFU关键问题的解决具有积极作用,可进一步促进HIFU在临床治疗的广泛应用。