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HIFU辐照过程中温升、空化与强回声的相关性研究

易华容  
【摘要】:高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)作为一种非侵入性的实体肿瘤治疗手段,目前已应用于肝癌、肾癌、胰腺癌、乳腺癌、前列腺癌、骨肿瘤和子宫肌瘤等的治疗,并取得了良好的治疗效果。HIFU治疗的机制主要有机械效应、热效应和空化效应。 HIFU作为一种非侵入性治疗手段,治疗过程的实时监控是其关键所在。目前已有的HIFU监控方式有:核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、CT、B超。B超监控以其价廉、使用方便、无辐射且易于与HIFU设备兼容而备受关注。B超监控通过HIFU辐照后声像图中靶区强回声的出现来判断组织的凝固性坏死。但目前对于强回声出现的原因尚无定论,一般认为与沸腾汽泡、空化气泡和组织凝固性坏死形成有关。正是由于产生强回声的瞬态物理特性复杂且不清楚,导致采用灰度成像来监控HIFU治疗时,会出现发生了凝固性坏死而强回声不敏感的情况。因此,研究HIFU治疗过程中温升、空化与强回声的关系,对于认识产生强回声的瞬态物理特性,并在此基础上探讨特异、敏感的HIFU治疗超声监控具有重要意义。 本文利用MRI无创测量HIFU辐照过程中焦点处的温度变化,通过焦点处温度来反映组织液是否沸腾,辐照后解剖得到组织凝固性坏死情况,利用被动空化检测(Passive Cavitation Detection,PCD)来反映是否有空化参与,结合辐照后B超声像中靶区的回声变化,研究HIFU辐照过程中温升、空化与强回声间的相关性。 目的: 1.不同功率下,HIFU辐照过程中焦点处的温度变化、空化信号的特点,及其与辐照后B超声像图中强回声出现的关系。探讨HIFU辐照后靶区声像图出现强回声的原因。 2.探讨低功率下长时间HIFU辐照后B超声像图出现强回声的原因。 实验方法: 1.不同功率下HIFU辐照10s过程中温升、空化与强回声的关系实验仪器:(1)MRIgHIFU治疗系统,由重庆海扶(HIFU)技术有限公司和SIEMENS公司联合开发。主要包括1.5T MRI系统和HIFU治疗单元。治疗头参数:直径160 mm,焦距180mm,中心频率1.1 MHz。 (2)PCD系统:panametrics水浸探头:V309,中心频率5 MHz,直径13 mm;V301,中心频率0.5 MHz,直径25 mm;NI高速数据采集仪;LabVIEW平台及数据采集程序。(3)B超监控系统。 实验对象:取屠宰后6 h内的新鲜离体牛肝组织,选择结缔组织和血管较少处,切成10 cm×8 cm×6 cm大小的组织块,浸泡于生理盐水中,复温至20℃,常规脱气30 min备用。 实验方法:定点辐照,功率选为50 W、100 W、150 W、200 W,辐照时间均为10 s,辐照深度采用30 mm。每组辐照重复6次实验。1)MRI测温:首先用t2_trufi_sag_pat2序列扫描牛肝组织,得到一组图像,选择结缔组织及血管较少的层面作为辐照区,并将HIFU焦点移到该层面,调节辐照深度为30 mm。HIFU辐照过程中用磁共振GRE_TMap_sag_phasediff测温序列采集各体素随时间变化的温度值,将温度最高体素作为HIFU焦点,得到HIFU辐照过程中焦点处的温升。 2)PCD系统获取空化特征信号:将PCD换能器对准HIFU焦点处,HIFU辐照时采集换能器上电压信号,后期进行信号处理,得到二分之一次谐波、低频RMS值和宽带噪声随时间的变化情况。3)B超监控部分:将B超扇扫面与HIFU焦平面重叠,使焦点位于B超声像图中心轴线上,保存HIFU辐照前后B超声像图。 2.低功率下长时间HIFU辐照过程中温升、空化与强回声的关系实验仪器:同第一部分。实验对象:同第一部分。实验方法:功率50 W定点辐照,辐照深度为30 mm。采用辐照10_s停1s的方式进行,MRI测温保存辐照过程中的温度图,B超监控中利用停止辐照间隙进行B超声像图保存,PCD观察辐照过程中是否有空化特征信号产生。 结果: 1.不同声功率下HIFU辐照10_s过程中,焦点处温度随辐照时间的增加而增高。相同辐照时间和辐照深度下,辐照声功率越大,焦点处达到的最高温度值越高。 2.声功率≥100 W时,HIFU辐照10_s过程中,辐照开始即刻便有二分之一次谐波、宽带噪声产生,且声功率200 W时,HIFU辐照过程中的二分之一次谐波幅值、低频RMS和宽带噪声RMS值远大于100 W和150 W。声功率50 W时,HIFU辐照10_s过程中没有有二分之一次谐波、宽带噪声产生。 3.声功率≥100 W时,HIFU辐照10_s后B超声像图中出现强回声,且声功率越大,强回声值越大。 4.声功率50 W时,HIFU辐照10_s后没有产生凝固性坏死。但声功率大于100 W时,且随着声功率的增加,HIFU辐照10_s后产生的凝固性坏死面积越大,凝固性坏死中心有空洞和碎裂现象。 5.低功率(50 W)HIFU辐照过程中焦点处温度随辐照次数(辐照时间)的增加而逐步升高,长时间HIFU辐照后B超声像图中出现强回声。但凝固性坏死出现的时间比HIFU辐照后B超声像图中出现强回声的时间早,且凝固性坏死区域均为苍白色,坏死程度较均匀,而整个辐照过程中未发现空化特征信号。 结论: 1.声功率越高(≥100 W),HIFU辐照10_s过程中,辐照开始便有二分之一次谐波、宽带噪声产生,这是辐照后B超声像图中靶区强回声产生的基本原因。 2.声功率50 W时,HIFU长时间辐照过程中,虽未发现空化特征信号,但焦点处温度逐步升高可能与长时间HIFU辐照后B超声像图中出现强回声有关。 3.由于低功率下HIFU长时间辐照时,凝固性坏死出现的时间比HIFU辐照后B超声像图中出现强回声的时间早,探寻该情况下特异、敏感的超声监控非常必要。


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