高強(qiáng)度聚焦超聲治療劑量控制關(guān)鍵問題研究.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治療被視為最有應(yīng)用潛力的非侵入式腫瘤治療新方法之一。其基本原理是:利用聲聚焦作用，將體外低能量的超聲聚集到生物媒質(zhì)中的病灶區(qū)域，使治療區(qū)域溫度在短時(shí)間內(nèi)升至65℃以上，從而使病變組織凝固性壞死，且最大限度地不損傷腫瘤周圍的其他正常組織，從而達(dá)到微創(chuàng)、甚至是無創(chuàng)的治療目的。聚焦超聲劑量控制是確保HIFU治療高效和安全的前提，也是當(dāng)前HIFU治療領(lǐng)

2、域亟待解決和深入研究的關(guān)鍵問題。聲聚焦和溫度控制是劑量控制的基礎(chǔ)，療效評(píng)價(jià)是劑量優(yōu)化的重要依據(jù)。
　　 本文針對(duì)HIFU劑量控制關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，建立了多層生物組織模型，并進(jìn)行了大量的仿真，分析了各種因素對(duì)聲場及溫度場的影響，并建立了聲聚焦及溫度控制方法。研究結(jié)果對(duì)推動(dòng)HIFU技術(shù)應(yīng)用及提升HIFU設(shè)備性能，具有重要的意義。具體工作如下:
　　 第一，詳細(xì)地探究了生物媒質(zhì)的相關(guān)特性及聲源參數(shù)對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲在多層生物媒質(zhì)

3、中產(chǎn)生的聲場的影響，揭示了超聲與生物媒質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng)的規(guī)律。
　　 第二，建立了多層生物組織模型，通過Pennes方程，利用有限時(shí)域差分方法計(jì)算了凹球面自聚焦超聲換能器在多層生物媒質(zhì)中所形成的聲場和溫度場，分析了換能器的相關(guān)參數(shù)和生物媒質(zhì)的特性對(duì)聲場和溫度場的影響。
　　 第三，超聲在多層生物媒質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，因此采用相位補(bǔ)償因子，解決了HIFU治療時(shí)因折射引起的焦點(diǎn)偏移及焦域形變等現(xiàn)象。簡化了偽逆算法

4、的位置控制函數(shù)，使超聲相控陣的控制相對(duì)簡單，并大大地縮短了計(jì)算時(shí)間，便于實(shí)時(shí)處理，同時(shí)采用遺傳算法對(duì)超聲相控陣在多層生物媒質(zhì)中所產(chǎn)生的聲場進(jìn)行優(yōu)化，聲強(qiáng)的增益有明顯地提高。
　　 第四，利用血管對(duì)流傳熱模型，分析了多層生物組織模型中的血管位置、大小等因素對(duì)溫度場分布的影響。仿真結(jié)果表明，當(dāng)血管直徑加大，血管周圍組織的溫度會(huì)降低，聚焦區(qū)域內(nèi)的有效治療區(qū)域?qū)?huì)減少;當(dāng)血管直徑增加到一定程度時(shí)，在一定的輻照時(shí)間內(nèi)，可能會(huì)無法在血管周圍

5、組織內(nèi)形成65℃以上的可治療區(qū)域。
　　 第五，針對(duì)超聲圖像具有斑紋噪聲的特點(diǎn)及目前已有的超聲圖像去噪的方法存在的問題，提出了改進(jìn)型小波變換-自適應(yīng)掩膜濾波去噪方法。采用該方法對(duì)HIFU治療過程中所形成的B超圖像去噪，從仿真結(jié)果可知:該改進(jìn)型去噪法能較好地去除B超圖像中的噪聲，且原圖像中的細(xì)節(jié)也能得到較好地保護(hù)。結(jié)合水平集方法分割出HIFU的治療區(qū)域，從B超減影圖像中提取圖像特征并根據(jù)特征值將HIFU治療的損傷等級(jí)進(jìn)行分類，再根

6、據(jù)實(shí)驗(yàn)解剖的受損傷面積來驗(yàn)證該損傷等級(jí)分類的合理性。另外，采用本文提出的改進(jìn)型偽彩色變換方法對(duì)所確定的治療區(qū)域進(jìn)行變換，能讓醫(yī)務(wù)人員更加直觀地評(píng)判生物組織的損傷程度。
　　 第六，HIFU治療效果與所采用的超聲劑量有很大的關(guān)系，劑量的大小最終可以通過溫度來體現(xiàn)。分析了現(xiàn)有的溫度控制器的特點(diǎn)，建立了適合于高強(qiáng)度聚焦超聲治療的自適應(yīng)溫度控制模型，可以通過調(diào)節(jié)超聲換能器的聲強(qiáng)及輻照時(shí)間來調(diào)控治療區(qū)域內(nèi)的溫度。仿真表明，該方法能獲得較理