血流对HIFU焦域温度场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)技术是一种新型微创或无创体外治疗技术,近年来在肿瘤治疗领域取得了突破性进展。肿瘤在生长过程中形成了大量的营养血管,肿瘤周围还可能存在其它大血管,由于这些血流的存在,临床治疗中可能出现治疗靶区肿瘤组织不能完全致死等问题。本研究对血流在HIFU治疗肿瘤中的影响进行了仿真研究。研究目的:数值仿真研究脂肪组织内和肝组织内血流灌注、血管位置和血管大小对HIFU6℃上可治疗焦区温度场的影响,为提高HIFU肿瘤治疗可靠性和安全性的临床治疗计划制定提供讨论数据和技术参数。研究方法:利用超声波非线性方程和Pennes生物热传导方程,采用FDTD(Finite Difference Time Domain Method)法进行三维数值仿真研究。研究结果:(一)数值仿真稳定性的讨论由于血管在组织内的存在使FDTD仿真法的稳定性发生了变化,为了使其稳定仿真数值计算进行了稳定性讨论。讨论发现当有血管存在时,在相同空间步长的条件下稳定的仿真时间步长小于单一组织所需时间步长;不同的组织由于具有不同的仿真参数,稳定的仿真时间步长也不相同。(二)脂肪组织内血流对HIFU焦域温度的影响(1)脂肪组织内血流灌注考虑与否,HIFU焦域温度分布图和z轴温升曲线基本一致。脂肪组织内血流灌注对HIFU焦域温度场分布的影响可忽略不计。(2)脂肪组织内直径2mm血管位于焦点时,对血管内及周边组织温升影响很大,在血管内形成低于60℃的区域,同时在血管周边组织内也出现低于60℃的区域,这可能导致血管周围组织不完全致死。当直径2mm的血管偏离声轴小于3.0mm时,形成的可治疗焦区不再关于声轴对称分布,且靠近换能器一侧的焦区边缘呈波浪形分布,但当血管位于可治疗焦区之外时,焦域中心温升基本无变化。当血管偏离声轴大于3.0mm时,血管对可治疗区域的影响可不考虑。(3)脂肪组织内不同直径血管周边形成低于60℃的区域,可能导致血管周围组织不完全致死;最高温升向靠近换能器一侧血管壁上;血管与换能器之间的可治疗焦区边缘呈波浪形分布。随着血管直径的增大,可治疗焦区面积变小。(三)肝组织内血流对HIFU焦域温度的影响(1)在相同照射强度和照射时间下,脂肪组织内温升比肝组织内温升高。(2)肝组织内血流灌注考虑与否,HIFU焦域温度分布图和z轴温升曲线基本相一致。因此,肝组织内血流灌注对HIFU焦域温度分布影响可忽略不计。(3)肝组织内直径2mm血管中心位于焦点时,对血管内及周边组织温升影响很大,可能导致血管内及周边组织不完全致死。当直径2mm的血管偏离声轴小于2.0mm时,可治疗焦区不再关于声轴对称分布,但焦域中心温升基本无变化。当血管偏离声轴2.0mm时,血管对可治疗区域的影响比脂肪组织内血管偏离声轴3.0mm的影响还要小,因此肝组织内血管偏离声轴大于2.0mm时的影响可不考虑。(4)肝组织内血管中心位于焦点上,不同直径血管内可治疗焦区温升曲线变化趋势相似,也就是说,不同血管直径对血管内可治疗焦区温升的影响趋势是相同的,都会引起温升的大幅下降。当血管中心位于声轴时,血管内形成低于60℃的区域,可能导致血管内及周围组织不完全致死;随着血管直径的增大,可治疗焦区面积变小,两侧血管壁温升逐渐降低。(四)不同组织内血流的分析比较在相同照射强度和照射时间的条件下,脂肪组织内的温升比肝组织内的温升高。当血管位于声轴时,脂肪组织内血管的存在会导致血管与换能器之间形成的焦区呈波浪形分布,而肝组织内焦区边缘比较平滑。无血管模型时,脂肪组织内形成的焦域面积为7.50mmX 1.50mm,焦距为33.50mm,而肝组织内形成的焦域面积为7.25mm×1.50mm,焦距为32.75mm。由于不同组织的声学参数不同,可能导致HIFU温度场可治疗焦区的形状、大小和位置的变化。结论:(1)脂肪组织内血管中心位于焦平面内、且血管壁偏离声轴大于3.0mm时,血管对可治疗区域的影可不考虑;血管中心位于焦点时,可治疗焦区内血管周边组织可能会出现不完全性致死,可治疗焦区面积随着管径的增大而变小。(2)肝组织内血管中心位于焦平面内、且血管壁偏离声轴大于2.0mm时,血管对可治疗区域的影响可不考虑;血管中心位于焦点时,可治疗焦区内血管周边组织可能会出现不完全性致死,可治疗焦区面积随着管径的增大而变小。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 缩略语/符号说明
• 一、前言
• 1.1 HIFU临床应用现状
• 1.1.1 肝癌治疗
• 1.1.2 乳腺癌治疗
• 1.1.3 前列腺癌治疗
• 1.2 血管对HIFU治疗影响及研究现状
• 1.3 研究目的
• 1.4 研究内容
• 二、基本方程式
• 2.1 超声波非线性传播基本方程式
• 2.1.1 微分方程式
• 2.1.2 FDTD差分方程式
• 2.2 Pennes生物热传导方程式
• 2.2.1 软组织内热传导方程式
• 2.2.2 血管内热传方程式
• 2.3 FDTD数值仿真的稳定性
• 三、数值仿真模型
• 3.1 三维数值仿真模型
• 3.2 仿真参数
• 四、结果
• 4.1 脂肪组织内血流对HIFU焦域温度的影响
• 4.1.1 血流灌注的影响
• 4.1.2 血管位置的影响
• 4.1.3 血管直径大小的影响
• 4.2 肝组织内血流对HIFU焦域温度的影响
• 4.2.0 照射时间的影响
• 4.2.1 血流灌注的影响
• 4.2.2 血管位置的影响
• 4.2.3 血管大小的影响
• 五、结论与讨论
• 5.1 结论
• 5.2 讨论
• 5.2.1 数值仿真稳定性的讨论
• 5.2.2 脂肪组织内血流对HIFU焦域温度的影响
• 5.2.2.1 血流灌注的影响
• 5.2.2.2 血管位置的影响
• 5.2.2.3 血管直径的影响
• 5.2.3 肝组织内血流对HIFU焦域温度的影响
• 5.2.3.1 照射时间的影响
• 5.2.3.2 血流灌注的影响
• 5.2.3.3 血管位置的影响
• 5.2.3.4 血管直径的影响
• 5.2.4 不同组织内血流的分析比较
• 5.2.5 小结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 综述 高强度聚焦超声的发展及临床应用
• 综述参考文献
• 致谢