论文摘要
高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound, HIFU）治疗被视为最有应用潜力的非侵入式肿瘤治疗新方法之一。其基本原理是：利用声聚焦作用,将体外低能量的超声聚集到生物媒质中的病灶区域,使治疗区域温度在短时间内升至65℃以上,从而使病变组织凝固性坏死,且最大限度地不损伤肿瘤周围的其他正常组织,从而达到微创、甚至是无创的治疗目的。聚焦超声剂量控制是确保HIFU治疗高效和安全的前提,也是当前HIFU治疗领域亟待解决和深入研究的关键问题。声聚焦和温度控制是剂量控制的基础,疗效评价是剂量优化的重要依据。本文针对HIFU剂量控制关键问题进行研究,建立了多层生物组织模型,并进行了大量的仿真,分析了各种因素对声场及温度场的影响,并建立了声聚焦及温度控制方法。研究结果对推动HIFU技术应用及提升HIFU设备性能,具有重要的意义。具体工作如下：第一,详细地探究了生物媒质的相关特性及声源参数对高强度聚焦超声在多层生物媒质中产生的声场的影响,揭示了超声与生物媒质相互作用时产生热效应的规律。第二,建立了多层生物组织模型,通过Pennes方程,利用有限时域差分方法计算了凹球面自聚焦超声换能器在多层生物媒质中所形成的声场和温度场,分析了换能器的相关参数和生物媒质的特性对声场和温度场的影响。第三,超声在多层生物媒质内传播时会产生折射现象,因此采用相位补偿因子,解决了HIFU治疗时因折射引起的焦点偏移及焦域形变等现象。简化了伪逆算法的位置控制函数,使超声相控阵的控制相对简单,并大大地缩短了计算时间,便于实时处理,同时采用遗传算法对超声相控阵在多层生物媒质中所产生的声场进行优化,声强的增益有明显地提高。第四,利用血管对流传热模型,分析了多层生物组织模型中的血管位置、大小等因素对温度场分布的影响。仿真结果表明,当血管直径加大,血管周围组织的温度会降低,聚焦区域内的有效治疗区域将会减少；当血管直径增加到一定程度时,在一定的辐照时间内,可能会无法在血管周围组织内形成65℃以上的可治疗区域。第五,针对超声图像具有斑纹噪声的特点及目前已有的超声图像去噪的方法存在的问题,提出了改进型小波变换-自适应掩膜滤波去噪方法。采用该方法对HIFU治疗过程中所形成的B超图像去噪,从仿真结果可知：该改进型去噪法能较好地去除B超图像中的噪声,且原图像中的细节也能得到较好地保护。结合水平集方法分割出HIFU的治疗区域,从B超减影图像中提取图像特征并根据特征值将HIFU治疗的损伤等级进行分类,再根据实验解剖的受损伤面积来验证该损伤等级分类的合理性。另外,采用本文提出的改进型伪彩色变换方法对所确定的治疗区域进行变换,能让医务人员更加直观地评判生物组织的损伤程度。第六,HIFU治疗效果与所采用的超声剂量有很大的关系,剂量的大小最终可以通过温度来体现。分析了现有的温度控制器的特点,建立了适合于高强度聚焦超声治疗的自适应温度控制模型,可以通过调节超声换能器的声强及辐照时间来调控治疗区域内的温度。仿真表明,该方法能获得较理想的控温效果,整个治疗过程中温度没有出现超调和振荡现象,能达到预期的温度阈值。