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高强度聚焦超声治疗温度场的数值仿真研究

姜晓婷  
【摘要】: 高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)肿瘤治疗技术是一种非侵入性治疗实体肿瘤的新型治疗技术,该疗法具有微创性、不易引起癌细胞转移、患者痛苦小、治疗后康复快等优点,已用于前列腺癌、肝癌、恶性骨肉瘤、乳腺癌等实质性脏器的肿瘤治疗,成为众多研究者关注和研究的热点。但是,在实际临床治疗中,靶区温度难以实时监控以及能量分布不均匀等原因,可能出现皮肤烧伤、神经损伤、靶区肿瘤组织残留等临床问题。为了避免这些临床治疗问题的发生,提高治疗的可靠性和安全度,很有必要准确、客观地进行实时监控、预测出焦点区域可治疗温度区域的形状和大小。 目前临床上通常采用插入热偶探针测温的有损测温方法,对于实际生物体检测有一定难度。CT、核磁共振测温等,由于价格昂等原因,未能广泛应用于临床。数字模拟仿真法,可以采用数值计算的方法,预测人体内实际形成的焦点区域大小及温度场分布,近年来高强度聚焦超声波非线性仿真计算也成为众多研究者关注的热点。例如利用KZK(Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov)等人提出的声波的非线性理论,众多的研究者提出了如时域差分法、频域差分法、解析法等,对声波非线性传播进行模拟仿真研究。但这些方法直接应用于具有不同声学特性和不规则特性的人体组织内声波的非线性传播的数值仿真研究尚有一定距离。森田长吉等人提出了时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)超声波非线性传播的仿真方法,并以Reichenberger的体外冲击波碎石(ESWL)水中实验为例,对水体内高强度超声波非线性传播进行了仿真研究,得到了与实验测得波形完全一致的仿真结果。 本研究利用森田长吉等人提出的用来数值仿真高强度超声波非线性传播过程中声压、质子速度的FDTD仿真方法,并结合Pennes生物热传导方程把该方法应用于高强度聚焦超声治疗温度场的仿真研究。参照日立公司的超声波前列腺治疗系统建立三维圆柱坐标数值仿真模型,并将超声波非线性传播的FDTD仿真法应用于超声波非线性传播过程中焦点区域温度场的数值解析之中,数值仿真计算、讨论分析空间步距大小、时间步距大小对声压、热量、温度仿真精度的影响。研究焦点附近声压、热量、温度分布,形成65℃以上的焦点区域的形状、大小及位置。仿真结果表明HIFU治疗中在三维空间上所形成的焦点区域近似圆柱体,并且实际所形成的焦点位置(最大温度位置)与设备的几何焦距并不一致。 本论文以FDTD数值仿真法研究了高强度聚焦超声治疗过程中的声压、热量、温度分布,所形成的焦点区域形状、大小及实际焦点位置,为HIFU临床治疗计划的制定提供理论依据和理论方法。本研究仅以水体为传播媒质建立仿真模型进行的仿真计算结果,距离实际人体组织内形成的实际焦点区域还有一定差距。实际人体组织内高强度聚焦超声波的数值仿真有待于进一步研究。


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