HIFU热消融过程中空化与温升、凝固性坏死的关系

论文摘要

研究背景高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound, HIFU）肿瘤治疗技术是一个可精确聚焦治疗肿瘤却没有皮肤切口的无创治疗方法，具有良好的有效性和安全性，并展现出了良好的前景。HIFU致使组织产生热凝固性坏死，是一个非常复杂的瞬态过程，其原理是利用超声波的束射会聚特性、在组织中良好的穿透性和固有的吸声特性，将体外发射的超声波聚焦到体内一个非常小的焦域内，在热效应、空化效应和机械效应等作用下促使靶区组织产生60℃以上的瞬态高温，进而形成不可逆的凝固性坏死以达到治疗的目的。基于热剂量的研究结果表明，HIFU治疗过程中靶区组织需要达到一定的温度并持续一定的时间，才能产生凝固性坏死。所以，对于靶区温度的实时监控对疗效的评价、治疗剂量的选择都有着重要的意义。HIFU破坏靶组织的作用机制主要是热效应和空化效应，热主要是通过靶组织对超声波的吸收转换而来；空化是指液体媒质中存在的微小气核或空穴在超过一定阈值声压的超声波作用下膨胀生成空化泡，空化泡在声波作用下发生的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。已有研究表明，强烈的空化活动会引发高温、高压、冲击波、高速射流等物理现象，而这些都可能对热效应和凝固性坏死的形成产生影响。本文基于热电偶测温和被动空化检测技术分别来监测HIFU辐照离体牛肝组织过程中靶区的温升和空化随时间的变化情况，探寻空化与温升之间的关系。并采用高速摄影技术记录牛眼晶状体中凝固性坏死的形成过程，并结合空化信号分析空化与凝固性坏死之间的关系。目的：1.相同辐照时间不同辐照功率下，靶区温度和空化随时间的变化规律，以及空化的发生与靶区温升的关系。2.等剂量条件下，凝固性坏死的形成的过程，以及空化的发生对凝固性坏死形成的影响。方法：1. HIFU热消融过程中靶区空化与温升的关系。实验材料：新鲜离体牛肝组织用生理盐水（浓度0.9%）洗净，避开大血管结缔组织切成8cm×8cm×6cm大小的方块，置于脱气缸中添加生理盐水进行35分钟脱气处理，恢复其温度到20℃待用。实验设备：①B超引导的高强度聚焦超声治疗系统（USgHIFU），由重庆海扶（HIFU）技术有限公司研制。HIFU治疗头参数：频率0.94MHz，焦距145mm，开口直径220mm。②被动空化（PCD）采集系统：空化检测探头（panametrics V301-SU，直径13mm，频率5MHz，焦距40mm），NI高速数据采集卡（PXie-5122，20MHz采样率），Labview软件开发平台（v10.0.1）。③温度采集系统：T型热电偶丝构成的热电偶探针，温度巡检仪（采样率5Hz），PC机以及串口调试程序。实验方法：实验开始前采用辐射压力法对HIFU治疗头的声输出进行测量，确保个参数条件下有稳定的声输出。设定HIFU辐照时间5s，辐照功率分别为50W、100W、150W、200W、250W，辐照深度30mm，每组参数重复实验5次。在B超引导下，将热电偶探针插入牛肝组织中，并调节PCD探头位置。通过温度巡检仪来检测靶区温度随时间的变化规律；PCD系统采集到的空化信号，进行快速傅里叶变化，选取3-7MH频段范围内的非谐波宽带噪声作为瞬态空化特征信号，并进行RMS计算，得到RMS信号幅值随时间变化的曲线。2.基于高速摄影的HIFU所致凝固性坏死的形成过程观察及其与空化的关系。实验材料：离体牛眼晶状体。实验设备：①B超引导的高强度聚焦超声治疗系统（USgHIFU）。②被动空化（PCD）高速采集系统。③高速摄影系统：高速摄影机（Fastcam SA4），LED强光源，可变焦镜头，PVF控制软件。实验方法：在B超引导下将焦点定位在牛眼晶状体中心，实验中采用等剂量的方式进行辐照，具体参数为100W-6s、200W-3s、300W-2s，600W-1s。在HIFU辐照过程中，采用PCD空化检测系统采集靶区空化信号，通过高速摄影系统获得牛眼晶状体中凝固性坏死的形成过程。结果：1.随着声功率的增加，瞬态空化的RMS幅值和累积瞬态空化剂量增大，但同一声功率条件下瞬态空化RMS幅值随辐照的进行呈下降趋势。2.低声功率时（50W、100W、150W），温度的上升过程近似线性的增长，靶区温升速率的增大主要是由于声功率的增大；较高声功率时（200W、250W），靶区温度的上升呈现非线性，温升速率明显高于低功率组；并且瞬态空化的发生与快速温升在时间上同步。3.声功率为300W、600W时，瞬态空化的发生要早于凝固性坏死的出现；声功率为200W时，瞬态空化要晚于凝固性坏死的出现。4.声功率为100W、200W时，凝固性坏死由一个小点逐渐扩大形成，而声功率为300W、600W时，凝固性坏死由几个竖直排列的独立小点开始扩大，逐渐增大连成线，最后才向四周扩大形成。结论：1.不同声功率辐照下，RMS和温升曲线呈现不同的变化趋势；靶区温度的快速升高有瞬态空化的参与。2.随着辐照声功率的增大，凝固性坏死开始出现和空化开始发生所需的时间越短。3.不同声功率条件下，瞬态空化与凝固性坏死的出现时间先后顺序不同，且凝固性坏死的形成过程也不同。

论文目录

• 英汉缩略语名词对照
• 摘要
• 英文摘要
• 前言
• 第一部分：HIFU 热消融过程中靶区空化与温升的关系
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验设备
• 1.3 实验方法与步骤
• 1.4 实验结果的处理、计算
• 2 实验结果
• 3 讨论
• 小结
• 第二部分：基于高速摄影的 HIFU 所致凝固性坏死的形成过程观察及其与空化的关系
• 1 材料与方法
• 1.1 实验材料
• 1.2 实验设备
• 1.3 实验方法与步骤
• 1.4 实验结果的处理
• 2 实验结果
• 3 讨论
• 小结
• 全文总结
• 参考文献
• 附图
• 文献综述
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文