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生物媒质中治疗超声的热效应及空化效应研究

董胡  
【摘要】:超声治疗是一种常用的物理治疗方式。治疗超声有多种类型,高度强聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)作为一种典型的治疗超声,它具有非入侵性、非电离等优点,是治疗常见肿瘤的理想外科手段。超声在生物媒质中传播会产生热效应及空化效应,这些效应对超声治疗效果有重要影响,它们也是目前超声治疗领域亟需深入研究的关键问题。本论文围绕生物媒质中治疗超声的热效应及空化效应开展了三个方面的研究工作:(1)研究了基于超声非线性谐波的温度监测;(2)研究了生物媒质中超声引起的热损伤预测;(3)研究了生物媒质中多频超声的空化效应。具体研究工作如下:第一,通过分析焦点温度变化对非线性谐波幅值的影响,提出了一种基于非线性谐波的生物媒质温度监测方法。利用光纤水听器被动接收HIFU辐照离体生物媒质产生的散射回波信号,同时使用热电偶实时测量焦点温度变化,研究了非线性谐波幅值与温度之间的相关性。研究结果表明,非线性谐波与温度变化有关,温度对谐波幅值存在影响;谐波幅值随温度升高呈先增大后减小变化趋势,谐波幅值随温度的变化与非线性和吸收效应有关。P2/P1、P3/P1及P3/P2的比值随温度升高表现为先增大后减小,P2/P1、P3/P1及P3/P2的比值在猪肉中的下降速度快于猪肝。第二,针对HIFU治疗中传统方法采用恒定温度(室温或体温)的特征参数预测热损伤的特点,研究了采用不同温度的特征参数对热损伤预测的影响;提出了基于KZK非线性声学方程及Pennes生物传热方程的声热耦合模型,利用动态特征参数预测热损伤并分析了谐波幅值比与热损伤之间关系。结合已知的生物媒质特征参数实验数据并采用数据拟合的方法,得到特征参数与温度的关系式;通过只改变声学参数、只改变热学参数及同时改变声学和热学参数三种方式进行仿真计算,揭示了声、热参数对媒质热损伤预测影响的差异性及其变化规律。仿真结果表明,采用不同温度的声学、声学和热学参数预测的焦点温度及热损伤随参数对应的温度增加呈先减小后增大的趋势,而采用不同温度的热学参数预测的焦点温度及热损伤随参数对应的温度增加呈先增大后减小的趋势。与采用不同温度的声学、声学和热学参数以及热学参数预测的焦点温度及热损伤相比较,传统方法的预测出现过高或过低估计。采用导致热变性的温度对应的声学参数、声学和热学参数二者预测的焦点温度及热损伤的差别随温度递增逐渐增大;持续加热引起的热损伤大于分段加热引起的热损伤。此外,采用动态特征参数预测的热损伤大于传统方法预测的热损伤,且随着谐波幅值比逐渐减小而热损伤逐渐增大。第三,利用Yang-Church空化模型,对气泡在水、血、脑及肝四种不同媒质中及多频超声组合辐照下的半径变化及溃灭时间进行了仿真计算,研究了多种频率超声波组合方式以及峰值负压及其持续时间、相角差和多变指数等参数对不同媒质中瞬态空化阈值的影响,为优化多频超声组合方式以降低瞬态空化阈值提供了参考依据。仿真结果表明,单频超声与多频组合超声的最高频率相同时,多频组合超声的气泡膨胀大于单频超声;而单频超声与多频组合超声的最低频率相同时,多频组合的气泡膨胀小于单频超声。同种媒质中,气泡半径Rmax/Rmin越大则气泡溃灭时间越长,媒质粘性的增加降低了气泡生长和溃灭的剧烈程度。相对于频率较低的三频组合,频差对频率较高的三频组合时的瞬态空化阈值的影响更加明显;超声信号的峰值负压越大或峰值负压持续时间越长,对应的瞬态空化阈值越低。此外,多频激励的相角差为零时,对应的瞬态空化阈值最低,而多变指数的改变对多种频率组合时的瞬态空化阈值几乎无影响。本论文针对治疗超声的热效应及空化效应的研究工作可进一步促进治疗超声在临床上的应用。


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