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高强度聚焦超声对生物媒质加热作用的研究

谭乔来  
【摘要】:高强度聚焦超声(HIFU)是一种新兴的具有巨大潜力的肿瘤治疗技术,已广泛应用于肿瘤的临床治疗。因其具有无创、无毒副作用等优点,近年来受到越来越多的人关注。HIFU作为一种非侵入式治疗技术,能够在短时间内产生局部高温,使得靶区内的肿瘤组织凝固性坏死而不伤害周围正常组织,从而达到肿瘤消融的目的。在HIFU治疗前,治疗计划制定是必不可少的一个环节,可以为HIFU治疗提供指导,而数值模拟是治疗前预估HIFU治疗效果的一个重要工具,可帮助医生及时调整治疗方案。利用可靠的数值模拟精准预测病灶区的温度和热损伤是保证治疗成功的关键。本论文以有限超声波传播模型和生物传热模型为理论基础,围绕病灶区的温度和热损伤的精确预测开展了三个方面的工作:(1)考虑生物组织热传导的非傅里叶特性,研究了血管对HIFU加热的影响;(2)研究了动态组织特性对HIFU加热的影响;(3)研究了HIFU辐照多血管生物组织的温度预测。具体工作如下:第一,生物组织中热效应研究大多是采用Pennes生物传热模型,该模型是基于傅里叶热传导定律得到的,其假定生物组织是均匀的,热传播速度为无限大,然而生物组织中热传导具有非傅里叶特性。本论文将Pennes生物传热模型修正为生物传热的热波(TWMBT)模型,考虑到血管对HIFU加热的影响,提出了一种结合TWMBT模型(灌注组织)和热能量传递方程(血管)的联合物理模型,研究了脉动血流、热弛豫时间、声焦点位置、血管半径和血流速度等因素对HIFU加热中病灶区肿瘤的温度和热损伤的影响。研究结果表明:(1)热弛豫时间对温度和热损伤具有非常大的影响。热弛豫时间越大,峰值温度和病灶区肿瘤组织的热损伤越小。与TWMBT生物传热模型相比,Pennes生物传热模型高估了峰值温度和热损伤大小;(2)声焦点位置和血管半径对温度和热损伤区域有较大的影响。声焦点与血管中心的距离越大,峰值温度和病灶区肿瘤组织的热损伤越大;血管半径越大,峰值温度和病灶区肿瘤组织的热损伤越小,且热损伤对血管半径很敏感;(3)脉动血流的心跳频率和振幅因子以及血流的平均速度对温度和热损伤只有轻微的影响。第二,HIFU辐照会引起生物组织温度升高,而生物组织温度的升高又使得组织特性发生变化,进而影响生物组织中的声场和温度场,导致生物组织特性参数、声场、温度场在整个HIFU辐照过程中相互影响。针对传统的数值预测方法通常将组织特性参数设定为常数这一缺陷,提出了基于Westervelt声学传播方程和Pennes生物传热方程的声热耦合模型,考虑HIFU辐照过程中组织特性参数的变化,以预测生物组织中的温度和热损伤大小。首先,在一些研究者测量的温度依赖的生物组织特性参数实验数据的基础上,进行多项式拟合得到生物组织特性参数与温度的关系式。再次,运用拟合得到的生物组织特性参数与温度的关系式,研究了单个组织特性参数变化对HIFU加热的影响和所有动态组织特性参数对HIFU加热的联合效应。仿真结果表明:(1)声压受组织特性参数动态变化的影响不明显;(2)在所有的各个动态组织特性参数中,动态声吸收系数对焦点温度和热损伤区影响最大,而动态非线性参数、动态声速、动态比热容和动态密度的影响较小;(3)与传统方法相比,动态声吸收系数会引起焦点温度和热损伤增大;相反,动态血流灌注率会导致较低的焦点温度和较小的热损伤;(4)与传统方法相比,考虑热导率动态变化时预测的最大焦点温度要高,但两种方法预测的损伤大小却几乎相等;(5)与使用所有动态组织特性参数进行的模拟相比,传统方法低估了焦点温度和热损伤大小。第三,针对HIFU辐照多血管生物组织的温度预测问题,将多血管生物组织当作多孔介质来处理,提出利用广义双相位滞后生物传热(GDPL)模型研究HIFU辐照多血管生物组织中的传热行为,并与Pennes生物传热模型和TWMBT生物传热模型进行了对比,研究了孔隙率对HIFU加热的影响。仿真结果表明:(1)与Pennes生物传热模型和TWMBT生物传热模型相比,当孔隙率较小时,GDPL模型预测的温度和热损伤与其它两种模型吻合得较好;当孔隙率较大时,GDPL模型预测的温度和热损伤则比其他两种模型要小;(2)孔隙率越大,则组织中包含的血管越多,血管与周围组织的热对流作用越强,组织的温度越低,产生的热损伤也越小;(3)孔隙率越大,组织和血液之间的温差越大。在加热阶段,组织的温度上升的速率要比血液快;在冷却阶段,组织温度下降的速率同样比血液要快。本论文研究的结果将有助于指导医生为HIFU治疗制定更准确的临床实施方案,可进一步促进HIFU在临床上的应用。


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