组织声学特性对HIFU温度分布影响的数值仿真研究

论文摘要

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是一种新型的肿瘤治疗方法之一,该疗法具有无创或微创等特性,并应用于临床治疗。但由于温度分布的无创测试和动态监控等问题未能解决,在HIFU临床治疗过程中可能出现治疗靶区定位不准及肿瘤组织残存等问题,使该疗法的安全性不能保障。研究目的:根据实测声参量随温度变化特性,数值仿真研究该组织声学特性对HIFU焦域的影响,为提高HIFU肿瘤治疗的可靠性、安全性提供理论数据和依据。研究方法:本研究采用森田长吉等人根据Westervelt方程式提出的高强超声波非线性传播近似式和Pennes热传导方程,用时域有限差分(FDTD)法数值仿真组织声学特性对HIFU温度场的影响。首先在圆柱坐标系下,使用Mur一阶边界条件对计算边界进行处理;其次利用HIFU在组织内传播时的声学特性,对计算流程进行改进,并对改进算法的声场、温度场进行了验证和误差分析;最后以Bamber、寿文德等人实测离体组织内不同温度下的声速、衰减系数为例,利用FDTD法数值仿真研究HIFU治疗过程中组织内衰减系数、声速的变化和温度场的分布,分析讨论衰减系数、声速和脂肪层厚度对焦域大小、位置的影响。研究结果:1.仿真模型边界处理及仿真方法(1)根据Mur一阶边界吸收条件对圆柱坐标下圆柱型计算区域的边界进行处理并进行数值仿真验证,边界反射明显减少,满足HIFU数值仿真计算的要求。(2)根据HIFU在组织内的传播特性对本实验的仿真方法进行改进,新算法中引入了声压稳定时间、声压更新时间和温度场时间步长三个关键参数。研究表明随着声压稳定时间的增大、声压更新时间的减小或温度场时间步长的减小,新算法声压、温升的平均相对误差减小;声压稳定时间及温度场时间步长一定的条件下,随着照射时间的延长,新算法的声压的平均相对误差减小。2.猪肝组织声学特性对HIFU温度场的影响(1)随着照射时间的延长,焦域处温升明显增大,猪肝组织焦域附近的声速下降、声衰减系数增大。(2)猪肝组织模型中,当考虑肝组织内声速随温度变化这一特性时,随着照射时间的延长,焦点位置向远离换能器方向移动;相比未考虑该特性的结果,照射5s时,焦点温升高0.4℃,焦点向远离换能器方向移动0.1mm,焦域长轴变长 O.1mm。(3)当仅考虑肝组织内衰减系数随温度变化这一特性时,照射5s时,组织内最大温升降低0.2℃,焦点位置、焦域位置和大小基本不变。3.牛脂肪、牛肝组织声学特性对HIFU温度场的影响(1)随着照射时间的延长,组织温升增大,牛肝、脂肪组织声速下降。(2)单层牛肝组织模型中,当考虑组织内声速随温度变化这一特性时,随着照射时间的延长,焦点位置略向远离换能器方向移动;相比未考虑该特性的结果,照射7s(焦点温度90℃)时,焦点温升高1.27℃,焦点向远离换能器方向移动0.1mm。(3)牛脂肪和肝脏双层组织模型中,考虑组织内声速随温度变化这一特性时,随着照射时间的延长,焦点位置向靠近换能器方向移动;相比未考虑该特性的结果,照射7s(焦点温度90℃)时,焦点温升高2.28℃,焦点向靠近换能器方向移动0.3mm,焦域靠近换能器移动0.2mm,焦域长轴变短0.2mm。(4)牛脂肪和肝脏双层组织模型中,焦点处达到同样温升时,随着脂肪层厚度的增加,所需换能器的输入声强增加;焦点及焦域位置整体趋于向远离换能器方向移动。结论:1.Mur一阶边界条件可以解决三维圆柱坐标系下HIFU数值仿真中FDTD边界处的非物理性反射问题。2.利用HIFU治疗时在一定时间内可以形成相对稳定声场的特性,改进计算流程并选取适当参数,在保证焦域计算精度的同时,可以大幅提高计算效率。3.考虑衰减系数随温度变化特性与否对HIFU治疗中形成的焦域几乎可以不考虑影响;组织声速随温度变化对焦点、焦域位置及焦域大小均有影响;相对肝脏,脂肪组织的声速特性对焦域大小和位置的影响更明显。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 缩略语/符号说明
• 一、前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 焦域声场、温度场分布的研究现状
• 1.1.2 组织声学特性及其对HIFU声场、温度场影响的研究
• 1.2 研究目的
• 1.3 主要研究内容
• 二、基本方程式
• 2.1 超声波非线性传播方程式
• 2.1.1 微分方程式
• 2.1.2 声波传播方程式的FDTD差分
• 2.2 热传导方程式
• 2.2.1 热传导微分方程式
• 2.2.2 热传导方程式的FDTD差分
• 三、数值仿真模型及仿真方法
• 3.1 数值仿真模型
• 3.2 仿真参数
• 3.3 边界处理
• 3.3.1 Mur一阶边界条件
• 3.3.2 边界处理的分析对比
• 3.4 数值仿真算法的改进分析
• 3.4.1 数值仿真流程的改进
• 3.4.2 计算量对比分析
• 3.4.3 声压稳定时间的选择及误差分析
• 3.4.4 声压更新时间的选择与误差分析
• 3.4.5 两种算法对比
• 3.5 组织声学特性参数
• 四、结果
• 4.1 猪肝的组织声学特性对HIFU温度场的影响
• 4.1.1 声速、衰减系数的变化
• 4.1.2 声速对温度场的影响
• 4.1.3 衰减系数对温度场的影响
• 4.1.4 声速、衰减系数对温度分布的影响
• 4.2 牛脂肪、牛肝组织声速对HIFU温度场的影响
• 4.2.1 单层牛肝声速对温度场的影响
• 4.2.2 牛脂肪和牛肝双层组织声速对温度场的影响
• 五、结论和讨论
• 5.1 结论
• 5.2 讨论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 综述 高强度聚焦超声应用研究现状
• 综述参考文献
• 致谢