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《陕西师范大学》 2007年
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超声热疗在肿瘤治疗中的温度场研究

院建岗  
【摘要】: 恶性肿瘤是危害人类健康的严重疾病,在临床实践中其治疗手段仍主要依靠手术切除、放射治疗、化学疗法、生物疗法、激光烧、冷冻等等。这些在临床实践中均有一定的局限性。近几十年来,随着超声波广泛应用于生物学、医学领域,超声热疗在临床中越来越成为治疗肿瘤的一种有效方法。超声能是一种机械能,在组织中传播时部分能量被组织吸收转变为热能,使组织温度升高。超声作用形成热的主要原因可能有三方面:(1)超声振动能在通过媒质时发生转变;(2)媒质质点有周期性紧缩,以致引起中心温度增高,这种中心温度增高发生超声波的压缩位相中;(3)在不同组织的分界部分形成,由于组织分层介质声阻抗不同,将产生反射,形成驻波,引起分子间相对运动产生摩擦而形成热,那时在与驻波波腹相应的点中就有局部温度升高。在这些因素中介质的吸收是热形成的主要因素。不同组织对声的吸收是不相同的,产热也不相同。吸收与介质的内摩擦、热传导以及分子结构等有关。这三种因素决定着吸收系数的大小。 肿瘤的超声热疗近几年越来越受到临床治疗的重视。热效应对肿瘤组织的破坏作用是超声治疗肿瘤的主要机制之一。肿瘤坏死的临界温度为42.5~43℃,高能聚焦超声治疗(HIFU)是通过B超诊断系统寻找治疗目标(肿瘤),并将目标移至辐射期焦点处,发射超声波在焦点处形成强声场使该处组织升温达到肿瘤坏死温度,从而实现治疗目的。从目前治疗情况来看,有效率明显,并与化疗配合,降低了化疗剂量,减轻了毒副反应,又提高了治疗效果。 超声热疗在治疗过程中通常伴随有副作用,超声热疗的副作用主要有加温表面的灼热感、疼痛、烫伤(红斑、水泡以及溃疡)和骨性疼痛等。骨性疼痛是常见的副作用,也是影响热疗满负荷加温的主要限制因素;超声加热的另一副作用是皮肤表面过热,医疗中通常采用了的适当调整水囊内水量的方法,使皮肤表面烫伤(水泡)的发生率降为最低。为了充分利用超声热疗,在治疗的过程中也应考虑超声热疗的副作用,使超声热疗达到最大效用。 由此可见超声热疗的关键是温度的控制和测量,在温度的测量中多用无损检测。超声无损测温主要是由于温度的改变而引起声速的改变,按照测温实现方式将超声无损测温方法分为以下几类:反射超声法;透射超声法;有限元法;超声图像分析法。在各种各样的超声无损测温技术中,利用反射超声进行处理的占大多,这与其容易在临床进行人体试验有关。常用的方法有超声回波时移法、超声回波频移法、超声回波能量法、超声回波时频图分割法、超声声速非线性参数法。 超声热疗目前被认为是一种非侵入性有前途的,最有效的一种加热治癌方法。但超声热疗仍有一些不足,主要有以下几方面关键问题需要解决: (1)可变聚焦问题:不同脏器的肿瘤部位不同,深度不同,同一脏器也因人而异,聚焦可调得换能器可以适用于不同部位,不同病人的肿瘤加热。 (2)临床无损测温:目前常见的无损测温的方法有:反射超声法、透射超声法、有限元法、超声图像分析法。各种无损超声测温法发展很快但还没有一种能完全用于临床,其方法的改进还有待进一步提高。 (3)进一步减小副作用和巩固疗效:与外科手术、化疗、放疗等方法相比,超声的副作用要小得多,但是由于肿瘤本身的多中心生长,无明显边界以及癌细胞增殖快等特点,使局部治疗仍有可能伤害小范围的正常组织,并引起全身症状。所以减少超声治癌的副作用也是有待研究的内容之一。 本文主要目的是分析超声探头升温的主要原因,利用数值模拟得出各种换能器参数对超声探头产生温度的影响和温度与各种参数的直观图像。利用超声波照射肝组织使其温度升高,同时提取超声回波信号,分析温度和时间的关系,对温度和时间的关系进行了定量的分析,得出温度和时间的直观图像。为此本文主要做了如下几方面的研究工作: 通过温度与时间,频率,频谱的关系来用不同单频率的超声照射,观察频率与组织升温的关系并测量组织的温度;用不同双频率照射观察频率与组织升温的关系并测量组织的温度;找到单频照射与双频照射对组织升温的区别。 (1)构建不同的组织温度测温模型,讨论各种组织模型的优缺点,找到适合临床应用的温度测温模型。 (2)根据生物各相同性生物组织中的热传导方程通过计算机技术计算生物组织的温度分布,并找到与生物组织温度变化有关的量。 (3)利用计算机软件分析与热疗温度有关的参量,并用计算机软件直观的作图分析影响温度的个各种换能器参数及生物参数如何对温度进行影响。 (4)用不同单频率的超声照射,观察频率与组织升温的关系并测量组织的温度;用不同双频率照射观察频率与组织升温的关系并测量组织的温度,比较两种方法的结论。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:R730.5

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