通过测量组织体模瞬时温升描述HIFU声场特征

 针对高声压下高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrsound,HIFU）声场测量难题,提出通过测量组织体模中瞬时温升来描述HIFU声场特征的方法。采用水听器测量声功率为5W的HIFU声场分布;采用热电偶测量声功率为40、70、100、150、200W,辐照时间1s下HIFU作用于组织体模时的焦域温场分布,由瞬时温升■与■αi p2i 成正相关关系,得到在考虑声吸收系数改变和非线性条件下HIFU声场分布特征。结果显示,水听器测量得到的HIFU焦域径向-6dB宽度和轴向-6dB宽度,远小于通过热电偶检测得到的不同高功率下HIFU焦域径向和轴向大小;高功率下,随声功率增加,焦域径向-6dB宽度、轴向-6dB宽度逐渐增大,且温场分布图的峰值部分较尖,反映出能量比较集中。用热电偶测量组织体模焦域瞬时温升,能反映在考虑声吸收系数改变和非线性条件下HIFU声场分布特征。     

血管对HIFU治疗焦域影响的实验研究

通过实验测量高强度聚焦超声辐照下仿组织体模中焦域附近特定点的温度变化以及形成焦域大小分析血管对HIFU治疗焦域的影响.当血管位置和血流速度分别不同时利用热电偶探针测量几何焦点上方2 mm处温度,采用Matlab编程计算焦域体积.在血管前方聚焦时,焦域附近峰值温度较高,形成焦域体积较大;在血管后方聚焦时,焦域体积随远离血管距离的增大而增大;无血流时,焦域附近峰值温度较高,焦域体积较大;加入血流之后,焦域附近峰值温度明显降低,但血流速度差异性对峰值温度和焦域大小影响不明显.血管位置和血流速度影响HIFU治疗焦域温度分布,在临床治疗焦域附近有血管时应当考虑血管的影响.     

高强度聚焦超声治疗中基于电阻抗相对变化的组织温度监测技术

高强度聚焦超声(HIFU)通过聚焦超声的声热效应对肿瘤组织进行局部快速的热疗,是一种非侵入性的无创肿瘤治疗新技术,而其治疗过程中温度监测是HIFU治疗中剂量精准控制的关键.本文基于HIFU的声传播基本原理,建立了HIFU治疗和组织电阻抗测量的模型,数值模拟了治疗过程中焦域的声场、温度场和电导率分布,并通过电势和电流密度分布的变化,计算了模型的电阻抗的整体变化,结果表明在一个规定的HIFU声功率作用下,组织模型的电阻抗相对变化和治疗时间呈线性关系,其电阻抗相对变化率和HIFU声功率也呈线性关系.按照仿真条件,建立了HIFU治疗和电阻抗实时测量的联合实验系统,在不同声功率和治疗时间条件下,对组织模型的电阻抗相对变化进行了测量,实验结果和理论仿真结果基本一致.研究结果证明用电阻抗相对变化进行HIFU治疗中焦域温度监控的可行性,为其疗效检测和剂量控制提供了新方法.     

高强度聚焦超声的生物学焦域研究

研究高强度聚焦超声(HIFU)在组织内能量的存积规律及表达方式.用JC型聚焦超声肿瘤治疗系统将超声波聚焦,辐照离体的牛肝、肾、肌肉组织和活体的猪肝、肾、肌肉组织,观察单点凝固性坏死的形成和体积变化规律.无论离体、活体组织的凝固性坏死点的形态和体积均不同于声学焦域;如果声强为7×10 3 ～25.4×10 3 W/cm 2 ,辐照时间为0～20s,则凝固性坏死点的体积为0～2000mm 3 ;同一剂量辐照下,不同组织结构、不同功能状态、不同组织深度所形成的单点凝固性坏死的体积不同.整块肿瘤的凝固是由一个一个小点状的凝固性坏死组合而成.把这个点状的凝固性坏死范围叫做HIFU的生物学焦域.生物学焦域是HIFU切除肿瘤的基本单元.它是声学焦域、声强、辐照时间、治疗深度、组织结构及功能状态的函数.     

大张角聚焦换能器中的张角变化对生物组织温度场的影响

高强度聚焦超声(HIFU)是现代医学肿瘤治疗物理疗法的一项重要技术,其原理是通过聚焦方法将大面积超声聚焦换能器辐射出的声能量汇聚于面积极小的聚焦区,使聚焦区获得较强的声能量并利用超声波的热效应在短时间内使病灶部位获得较高的温升,从而使肿瘤组织热凝固坏死.大张角聚焦换能器指的是球面半张角大于16.6°的球壳式聚焦换能器.相对于传统的小张角换能器,大张角聚焦换能器拥有更强的声聚焦效应,聚焦区半径更小,穿透性更好,声能量聚焦效果明显强于小张角换能器,所以可以获得更好的温升.利用Spheroidal Beam Equation(SBE)方程求解大张角聚焦换能器条件下的声场获得空间热源的产热率,然后通过Pennes方程解出大张角聚焦换能器条件下生物组织中的温度场分布.研究不同改变张角方式下大张角聚焦换能器作用下生物组织的温升分布情况,研究结果表明改变换能器的孔径以改变张角时,张角越大温升越大,而改变其焦距以改变张角时,温度变化则相反.实验也验证了换能器孔径变化对生物组织中的温升的影响.     

HIFU肿瘤治疗中的非线性效应对温度分布影响的研究

本文以凹球面自聚焦换能器为声源,通过计算非线性波动方程和生物热传导方程,得到了生物组织中聚焦区的温度场分布.结果表明:非线性效应对焦域温度分布有着重要的影响.它一方面造成声焦点前移,并使声焦点与几何焦点的距离随聚焦深度增加而增大;另一方面,非线性效应的存在导致聚焦区温度分布在治疗过程中由规则的椭球形变成不规则的"蝌蚪"形或"龟"形,这种温度变化随生物组织的非线性特性加强而愈显著.本文从非线性角度对此现象给予了解析.     

光纤水听器测量聚焦换能器声压和温度分布

为了解决人体中高强度聚焦超声(HIFU)焦点处的温度场分布检测的难题，给出了从声压分布入手探测温度场分布问题的新方法。通过搭建光纤水听器自动扫描系统，利用光纤水听器同时测量仿组织材料（TMM）样本中焦斑区域的声场和温度的分布，探究声压和温度在人体组织中的分布关系。通过实验得出，声压最大处和温度场最高处坐标同为(0 mm,0 mm)；-3 dB和-6 dB声束宽度：声压为2.4 mm、3.22 mm，温度为2.44 mm、2.98 mm。实验结果表明，声压和温度的最大值高度重合；仿组织材料样本中超声焦点处的横切面温度分布要比声压分布陡峭，即相比声压分布，温度场的能量分布更加集中，焦点半径更小。     

高强聚焦超声治疗肿瘤的剂量学研究

高强聚焦超声(HIFU)治疗技术出现在1940年代,到1990年代后进入迅速发展时期,被誉为是21世纪无创治疗肿瘤技术.HIFU无创治疗肿瘤的原理,是利用HIFU声焦域中的高能量短时间内"消融"(ablation)靶区的癌症变组织,同时又不伤及周围的健康组织.HIFU剂量学是关系到HIFU治疗技术能否安全、有效地用于临...     

高强聚焦超声无创外科

对一种在临床上获得成功应用的单元环状HIFU换能器的温度场进行了数字模拟研究.结果表明,为使生物组织内形成的"热坏死体元"的体积与声焦域的体积大体上相等,所施用的HIFU辐照剂量应该满足方程It0.43=5728 W?cm-2?s0.43 (I为声强; t为声辐照时间),数字模拟已为初步实验研究结果所证实. 为此,可以得出结论:为改变热坏死体元的体积大小,首先应该考虑的是改变辐照声强.     

高强聚焦超声辐照剂量与组织热坏死体元之间的关系

利用Pennes方程和Rayleigh方程,对一种环状高强聚焦超声(HIFU)换能器在发射声强为7000～25400W·cm-2和辐照时间为0～20s辐照剂量范围内,对于辐照剂量和它在离体牛肝2 cm深处引起的热坏死体元(即"生物学焦域")体积之间的关系进行了数值模拟计算,计算获得的系列理论曲线与在相应条件下实验测量曲线符合较好.表明,在现有的超声生物物理学理论框架内,对于HIFU辐照引起的热坏死体元的体积是可以进行理论预测的.对于在较高辐照剂量下理论与实验之间存在的分歧也进行了讨论.     

剪切模量和粘度对HIFU微泡增效治疗声场影响的数值仿真

研究剪切模量和粘度对HIFU微泡治疗声压场的影响.利用气液混合声波传播方程、Yang-Church气泡运动方程、时域有限差分（FDTD）法和龙格-库塔（RK）法建立含微泡的单阵元换能器数值仿真模型,分别改变模型中仿组织体模的剪切模量和粘度,研究其对形成声压场的影响.仿真结果表明,随着剪切模量的增大,焦域中心声压逐渐降低且焦域位置向靠近换能器方向移动;随着粘度的增大,焦域中心声压逐渐降低,焦域位置几乎不变.     

高强聚焦超声无创外科"切除"肿瘤的剂量学研究

对一种在临床上获得成功应用的单元环状HIFU换能器的温度场进行了数字模拟研究.结果表明,为使生物组织内形成的"热坏死体元"的体积与声焦域的体积大体上相等,所施用的HIFU辐照剂量应该满足方程It0.43=5728 W·cm-2·s0.43 (I为声强; t为声辐照时间),数字模拟已为初步实验研究结果所证实. 为此,可以得出结论:为改变热坏死体元的体积大小,首先应该考虑的是改变辐照声强.     

MRIgHIFU治疗的热损伤阈值研究

研究基于磁共振T-Map的等效热剂量积分法监控高强度聚焦超声治疗的可行性.并筛选出高强度聚焦超声损伤组织的热剂量阈值.运用磁共振导航高强度聚焦超声治疗系统,使用1 MHz、焦距为150 mm、直径150 mm的聚焦超声换能器,用不同辐照声功率和辐照时间定点辐照深度为20 mm的新鲜离体牛肝脏,辐照过程中用磁共振的测温序列采集各体素随时间变化的温度值并计算各体素的Eq43值,比较计算结果与发生凝固性坏死的Eq43参考阈值,判断该体素是否发生坏死,得到发生凝固性坏死的热剂量区域轮廓和面积.辐照结束后沿凝固性坏死最大面剖开牛肝组织,测量凝固性坏死的面积.选择不同的Eq43参考阈值,并将热剂量计算得到的坏死面积与实际坏死面积进行比较.筛选出离体牛肝组织发生凝固性坏死的最佳热剂量参考阈值.结果表明,基于磁共振T-Map的等效热剂量积分法得到的凝固性坏死的面积值能很好地反应实际发生凝固性坏死的情况,当Eq43参考阈值选为31.2 min时,各辐照声功率和辐照时间下两者大小均无统计学差异.热剂量法为HIFU治疗提供了一种新的判断凝固性坏死发生的方法,这种方法可以实时地反馈控制超声辐照剂量,提高了治疗的安全性和有效性.     

超声热疗中媒质特性对声聚焦的影响

以凹球面自聚焦超声换能器为例,用瑞利积分进行数值模拟计算,研究声衰减、声速、温度等参数对声聚焦的影响,并对不同生物组织中声聚焦的特点进行了比较.研究表明,不同的媒质的特性参数聚焦表现出不同的特点.声衰减系数增大,则焦斑向声源靠近且焦斑缩短;声速越大,则焦距越小,但焦域最大声压值升高,焦斑的面积增大;温度变化不大时,对声聚焦的影响不明显.     

聚焦超声消融肝癌时大血管位置对热场分布的影响

采用有限元方法研究了聚焦超声消融肝脏肿瘤时，大血管存在于肿瘤附近不同位置对温度分布以及热剂量分布的影响．建立基于大血管对流效应的生物传热模型，基于不同的加热方案进行3-D温度瞬态仿真．仿真针对四种情况进行计算：模型中无血管，血管分别距离肿瘤1mm、2mm、3mm．仿真结果表明使用聚焦超声进行快速加热可以使能量集中在目标治疗区域．但是当肿瘤组织的近距离内（1mm）存在大血管且加热时间较长时（〉2s），肿瘤组织靠近血管的边界部分仍然会受到大血管冷却效应的影响，这种影响会导致肿瘤治疗不彻底．当肿瘤距离大血管3ram以上时，大血管在聚焦超声治疗中的冷却效应不再明显．     

基于开孔球面高强度聚焦超声阵列的相控精度设计

研究了超声换能器阵列驱动信号的相位调控精度对阵列聚焦声场的影响.基于开孔球面高强度聚焦超声(HIFU)阵列,提出了一种阵列驱动信号的5位量化精度相控方案,解决了相控HIFU治疗系统中驱动信号相位的非连续性调控问题.仿真结果表明,此种相控方案既使阵列声场保持了高声强的聚焦点,又维持了原有的栅瓣抑制能力,从而为相控HIFU阵列驱动系统的设计提供了可靠依据.     

高强度聚焦超声治疗晚期胰腺癌近期疗效评价

目的探讨高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)治疗晚期胰腺癌的安全性及有效性.方法19例晚期胰腺癌患者共接受121次(平均6.4次)HIFU治疗.观察患者生命体征、重要器官功能、影像学检查(CT或MRI等)、并发症和肿瘤转归的情况.结果临床受益反应率达71.2%;除1例患者接受HIFU治疗后5个月出现阻塞性黄疸外,未见其他副作用;部分患者的MRI检查显示HIFU治疗区内组织呈凝固性坏死表现.结论HIFU治疗期胰腺癌能取得一定的疗效,治疗安全性相对较高,值得临床进一步观察研究.     

高强度聚焦超声治疗晚期胰腺癌近期疗效评价

目的探讨高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)治疗晚期胰腺癌的安全性及有效性.方法19例晚期胰腺癌患者共接受121次(平均6.4次)HIFU治疗.观察患者生命体征、重要器官功能、影像学检查(CT或MRI等)、并发症和肿瘤转归的情况.结果临床受益反应率达71.2%;除1例患者接受HIFU治疗后5个月出现阻塞性黄疸外,未见其他副作用;部分患者的MRI检查显示HIFU治疗区内组织呈凝固性坏死表现.结论HIFU治疗期胰腺癌能取得一定的疗效,治疗安全性相对较高,值得临床进一步观察研究.     

一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性研究

研制了一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器,并对其径向振动特性进行了理论及实验研究.该换能器由一个厚度方向极化的压电陶瓷薄圆环及一个金属圆环组成.对压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动分别进行了分析,得到了各自机电等效电路.在此基础上,利用换能器径向力及径向振动速度的连续条件,得出了压电陶瓷径向复合超声换能器机电等效电路及其共振频率方程.分析了换能器的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系.结果表明,在换能器压电陶瓷圆环内外半径保持一定情况下,换能器半径比增大时,共振及反共振频率随之增大.对于换能器第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随半径比增大单调增大,而第二阶径向振动有效机电耦合系数随半径比增大单调减小.     

高强度聚焦超声治疗子宫腺肌瘤30例临床分析

目的：评价高强度聚焦超声（HIFU）治疗子宫腺肌瘤的疗效及安全性。方法：选择不愿意手术的已生育且有临床症状的患者作为治疗对象,在超声实时监控下,应用高强度聚焦超声肿瘤治疗机治疗30例,定期随访观察患者临床症状、体征及瘤体的超声影像变化。结果：经HIFU治疗后的30例子宫腺肌瘤患者有效率达93．3％以上,无效率6．7％。结论：高强度聚焦超声治疗子宫腺肌瘤安全有效,可作为一种无创伤治疗子宫腺肌瘤的新方法。