HIFU表面消融仿真模型的建立及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.pdf

1、研究背景：
　　高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound, HIFU）是近年來快速發(fā)展的非侵入性治療腫瘤的新技術(shù)。在臨床上，HIFU治療肝癌、乳腺癌、胰腺癌、惡性骨腫瘤、子宮肌瘤等實(shí)體腫瘤已取得顯著療效。由于HIFU的焦域較小，臨床治療時(shí)采用“點(diǎn)-線-面-體”的組合方式逐點(diǎn)逐層給予能量，直至完全覆蓋整個(gè)腫瘤。這種傳統(tǒng)的完全治療模式，對(duì)小腫瘤具有很好的效果，但是當(dāng)治療體積較大的腫瘤時(shí)，完全掃

2、描治療模式就會(huì)使消融時(shí)間過長(zhǎng)、所需能量增大且產(chǎn)生并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)也明顯增高。因此，尋找更為有效的HIFU輻照方式來提高治療效率及減少并發(fā)癥是亟須解決和深入研究的問題。據(jù)此結(jié)合惡性腫瘤的生長(zhǎng)特點(diǎn)，采取一種新的“表面消融模式”，只消融腫瘤的表面，腫瘤內(nèi)部不投放劑量，以期形成包裹靶區(qū)的完整封閉的凝固性壞死帶，造成其內(nèi)部缺血、缺氧性壞死，達(dá)到治療的目的。
　　表面消融模式是一種針對(duì) HIFU治療大體積腫瘤提出來的新的輻照方式，目的是為了減少治

3、療時(shí)間和輻照劑量，以期形成更安全有效的HIFU無創(chuàng)消融技術(shù)。從理論上可知表面消融模式較傳統(tǒng)的完全消融模式具有優(yōu)越性，但對(duì)于不同體積大小的腫瘤，表面消融模式究竟可以減少多少治療時(shí)間和輻照劑量，目前并沒有進(jìn)行深入研究，同時(shí)對(duì)于某一體積大小的腫瘤，表面消融模式目前也沒有數(shù)學(xué)模型預(yù)估其治療時(shí)間和輻照劑量。故需建立HIFU表面消融仿真模型，通過理論模型定量的計(jì)算出此模式消融一定體積的腫瘤所需的輻照時(shí)間、吸收能量及累積能量，并通過離體牛肝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其

4、模型準(zhǔn)確性，再與傳統(tǒng)完全消融模式相比較，探討表面消融這一新型模式的可行性及量效關(guān)系等，本課題針對(duì)HIFU表面消融模式進(jìn)行建模及相關(guān)研究，擬解決表面消融模式更為科學(xué)與規(guī)范的實(shí)施問題。
　　目的：
　　建立HIFU表面消融腫瘤的仿真模型，并通過離體牛肝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和修正理論模型，探討HIFU表面消融模式超聲影像學(xué)的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法。
　　材料和方法：
　?。?）HIFU表面消融腫瘤仿真模型的建立：HIFU消融仿真模型由超聲換

5、能器、水、牛肝組織構(gòu)成。模型靶區(qū)長(zhǎng)42mm，寬30mm，高以8mm的間距增加、分別為16mm、24mm、32mm、40mm、48mm、56mm、64mm。通過模擬HIFU連續(xù)點(diǎn)打法掃描，表面消融模式由深至淺依次沿靶區(qū)周邊進(jìn)行掃描，完全消融模式則在同一深度依次逐層完全消融各層面。根據(jù)HIFU橢球體形狀的聲焦域，計(jì)算出單點(diǎn)輻照后的損傷體積，以KZK非線性聲波傳播方程和單位體積組織單位時(shí)間內(nèi)吸收能量公式為基礎(chǔ)，結(jié)合輻照時(shí)間與累積能量公式，對(duì)不

6、同體積模型兩種消融模式下的吸收能量、輻照時(shí)間及累積能量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與分析。
　　（2）離體牛肝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和修正表面消融腫瘤理論模型：新鮮離體牛肝組織，切成約100mm×100mm×70mm大小的長(zhǎng)方體塊，運(yùn)用JC200型聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)，先在深度為20mm、28mm、36mm、44mm處進(jìn)行單點(diǎn)輻照，輻照時(shí)間2s，輻照結(jié)束后沿凝固性壞死最大面剖開，測(cè)量壞死長(zhǎng)徑a、短徑b，通過=4s ab?與2=6v ab?分別計(jì)算

7、其面積和體積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真模型計(jì)算出的牛肝壞死形態(tài)、大小進(jìn)行比較，并分析在不同深度處、不同聲強(qiáng)下點(diǎn)壞死范圍變化趨勢(shì)。再以點(diǎn)輻照時(shí)間2s，間隔時(shí)間10s，點(diǎn)間距3mm的組合參數(shù)，在不同深度處動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輻照聲強(qiáng)進(jìn)行HIFU表面消融實(shí)驗(yàn)和完全消融實(shí)驗(yàn)，消融大小為30 mm×42 mm×24 mm的離體牛肝。實(shí)驗(yàn)后將其各層面的輻照時(shí)間、累積能量與仿真模型計(jì)算值進(jìn)行比較分析，對(duì)上述模型的吸收能量、輻照時(shí)間及累積能量計(jì)算公式進(jìn)行修正，再運(yùn)用修正后的

8、公式預(yù)測(cè)消融靶區(qū)大小為30 mm×42 mm×56 mm、30 mm×42 mm×64 mm的輻照時(shí)間、累積能量及吸收能量，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　?。?）HIFU表面消融模式超聲影像學(xué)的實(shí)時(shí)監(jiān)控：表面消融實(shí)驗(yàn)完成后沿X軸方向以每隔1mm的距離采集超聲二維圖像，每塊牛肝共取31張超聲圖像，然后運(yùn)用三維虛擬導(dǎo)航系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)量分析并重建靶區(qū)。分析重建后靶區(qū)的強(qiáng)回聲封閉環(huán)是否完整以及強(qiáng)回聲區(qū)域的大小形態(tài)。測(cè)量表面消融模式損傷區(qū)域，計(jì)算出其

9、消融區(qū)域，并與病理測(cè)量的消融區(qū)域?qū)Ρ确治觥?br>　　結(jié)果
　　（1）仿真模型體積為30 mm×42 mm×24 mm，在深度為44mm、36mm、28mm、20mm處，對(duì)應(yīng)聲功率分別為350W~330W、300W~280W、260W~240W、220W~200W的情況下輻照靶區(qū)，表面消融模式與完全消融模式總輻照時(shí)間、單位體積組織總吸收能量及總累積能量分別為852s、306.2kW/cm2~278.3kW/cm2、241.9kJ~

10、224.8kJ和1320s、472.0kW/cm2~429.4kW/cm2、372.9kJ~346.5kJ。表面消融模式總輻照時(shí)間、單位體積總吸收能量和總累積能量均小于完全消融模式，分別減少約35.5％，35.1%和35.1%。隨著消融體積的增加，表面消融模式所需的總輻照時(shí)間、總吸收能量及總累積能量的降低越來越明顯，表明對(duì)于大體積腫瘤表面消融模式比完全消融模式更具有優(yōu)勢(shì)。
　?。?）在深度20mm、28mm、36mm、44mm處，

11、不同輻照功率，相同輻照時(shí)間下，HIFU單點(diǎn)輻照損傷的面積及體積都與理論值相差不大，且其變化趨勢(shì)一致，隨著輻照深度和聲強(qiáng)的增加都呈非線性增加。應(yīng)用HIFU表面和完全消融模式分別輻照30 mm×42 mm×24 mm的離體牛肝，表面消融模式能在靶區(qū)周邊形成完整的壞死帶，與中間未輻照的肝臟邊界較清晰。光鏡下，輻照區(qū)域出現(xiàn)典型的凝固性壞死，壞死帶與正常肝臟邊界清晰。表面消融模式與完全消融模式的總輻照時(shí)間、累積能量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為（785.7±45

12、.2）s、（216.8±13.9）kJ和（991.8±80.0）s、（276.9±21.2）kJ，兩種模式的總輻照時(shí)間與累積能量比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異（P＜0.05）。表面消融模式和完全消融模式的總輻照時(shí)間、總累積能量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別和理論計(jì)算結(jié)果相比有差異，且存在一定的比值關(guān)系，運(yùn)用此比值修正后的公式預(yù)測(cè)靶區(qū)為30 mm×42 mm×56 mm、30 mm×42 mm×64 mm的輻照時(shí)間、累積能量及吸收能量，通過實(shí)驗(yàn)證明預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值

13、相符合。
　?。?）HIFU表面消融輻照離體牛肝后，靶區(qū)周邊壞死帶在超聲圖像上呈強(qiáng)回聲，與中央未輻照區(qū)邊界較清晰，靶區(qū)3D重建圖像較清晰，壞死面與正常組織邊界能較好的辨別。超聲圖像勾畫的消融體積平均值為（30.1±3.2）cm3，牛肝組織壞死測(cè)量消融體積平均值為（29.6±2.6） cm3，兩種測(cè)量方法比較無顯著性差異（P＞0.05）。
　　結(jié)論：
　　1.建立了 HIFU表面消融模式理論仿真模型。通過仿真模型的數(shù)值計(jì)

14、算，從理論上證明HIFU表面消融模式輻照時(shí)間、吸收能量及累積能量均低于完全消融模式。隨著消融體積的增加，表面消融模式所需的總輻照時(shí)間、總吸收能量及總累積能量的降低越來越明顯，表明對(duì)于大體積腫瘤表面消融模式比完全消融模式更具有優(yōu)勢(shì)。
　　2. HIFU表面消融模式消融離體牛肝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與修正后的仿真模型預(yù)測(cè)結(jié)果相符合，表明該仿真模型可以有助于預(yù)測(cè)HIFU表面消融模式輻照腫瘤所需的輻照時(shí)間、吸收能量及累積能量。
　　3.超聲影像