高強度聚焦超聲治療劑量控制關(guān)鍵問題研究.pdf

1、高強度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治療被視為最有應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)，療效評價是劑量優(yōu)化的重要依據(jù)。
　　 本文針對HIFU劑量控制關(guān)鍵問題進行研究，建立了多層生物組織模型，并進行了大量的仿真，分析了各種因素對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)果對推動HIFU技術(shù)應用及提升HIFU設備性能，具有重要的意義。具體工作如下:
　　 第一，詳細地探究了生物媒質(zhì)的相關(guān)特性及聲源參數(shù)對高強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)相互作用時產(chǎn)生熱效應的規(guī)律。
　　 第二，建立了多層生物組織模型，通過Pennes方程，利用有限時域差分方法計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)傳播時會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，因此采用相位補償因子，解決了HIFU治療時因折射引起的焦點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簡單，并大大地縮短了計算時間，便于實時處理，同時采用遺傳算法對超聲相控陣在多層生物媒質(zhì)中所產(chǎn)生的聲場進行優(yōu)化，聲強的增益有明顯地提高。
　　 第四，利用血管對流傳熱模型，分析了多層生物組織模型中的血管位置、大小等因素對溫度場分布的影響。仿真結(jié)果表明，當血管直徑加大，血管周圍組織的溫度會降低，聚焦區(qū)域內(nèi)的有效治療區(qū)域?qū)p少;當血管直徑增加到一定程度時，在一定的輻照時間內(nèi)，可能會無法在血管周圍

5、組織內(nèi)形成65℃以上的可治療區(qū)域。
　　 第五，針對超聲圖像具有斑紋噪聲的特點及目前已有的超聲圖像去噪的方法存在的問題，提出了改進型小波變換-自適應掩膜濾波去噪方法。采用該方法對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，且原圖像中的細節(jié)也能得到較好地保護。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治療的損傷等級進行分類，再根

6、據(jù)實驗解剖的受損傷面積來驗證該損傷等級分類的合理性。另外，采用本文提出的改進型偽彩色變換方法對所確定的治療區(qū)域進行變換，能讓醫(yī)務人員更加直觀地評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，建立了適合于高強度聚焦超聲治療的自適應溫度控制模型，可以通過調(diào)節(jié)超聲換能器的聲強及輻照時間來調(diào)控治療區(qū)域內(nèi)的溫度。仿真表明，該方法能獲得較理