肿瘤热疗中组织温度场测量方法及关键技术研究

论文摘要

肿瘤热疗是指利用某种加热方法把肿瘤组织加热至超过其耐热温度以杀死癌细胞,其包括温热疗法和高温热凝固法两种。温热疗法是加热肿瘤至42.5-45℃并保持一定时间（通常为数分钟到几十分钟）,抑制肿瘤组织的生长以达到治疗癌症的目的。高温热凝固法是将肿瘤组织加热到较高的温度（一般为60℃即刻,或54℃保持一分钟）而使肿瘤完全性坏死。近十年来,随着微波技术,特别是植入式微波技术、射频技术及高能聚焦超声技术的发展,高温热凝固疗法发展迅速,已成为一种临床实用的肿瘤治疗手段。一个有效的热疗必须将被治疗组织中的温度分布控制在适宜范围内,因此对组织温度进行准确测控非常重要。目前临床上多采用的有创测温技术也称侵入式测量,是把热电偶、热敏电阻之类的温度传感器插入待测部位进行单点或多点的直接测温,然而侵入肿瘤进行温度测量的方法相对危险,并有很多技术上的缺陷。国内外已有不少癌热疗无创测温方面的研究报导,超声测温就是其中之一。超声测温是利用超声波的某些声特性参数与温度的相关性以获取组织温度信息,相比其它无创测温方法有更好的优越性。本文的工作就是研究热疗中组织温度的无创测量方法及其关键技术,通过分析各种测温方法的优缺点,根据肝癌热疗中组织温度无创检测的实际需要,从信号和图像处理两个角度:即基于超声回波信号的时移和组织B超特征与温度的相关性探寻超声无创测温技术。目的是为了在治疗过程中及治疗前后,利用医学超声信息实现组织温度场的无创测量和凝固区的实时监测。主要研究内容可分为以下四个部分:（1）在超声测温原理分析的基础上设计超声无创测温实验系统,研究生物组织超声回波时移与其温度的相关性。以去气水和新鲜的离体猪肝为研究对象,采用互相关技术精确提取温度变化引起的组织背向反射超声回波时移。研究结果表明:组织内超声声速随温度的变化而变化,它与加热区域内的组织热膨胀共同引起了回波时移的变化;回波时移与温度之间有明显的相关性,且具有较为稳定的线性相关函数。基于回波时移的温度相关性,设计了超声测温实验系统,该系统主要由超声波发射接收器、高速AD采集卡和计算机组成,实现了温度的无创实时测量与显示。（2）研究热疗中生物组织B型超声特征参数的变化,以期利用B超特征参数的温度相关性实现热疗的无创监测。采用水域和微波介入两种加热方式,获取温热疗法和高温热凝固治疗过程中离体动物（猪、牛）肝脏的B超图像,利用图像处理方法提取不同温度下的组织B超特征参数（灰度及其梯度变化、功率谱密度、纹理结构等参数）,并分析其温度相关性。实验结果表明:组织B超图像灰度与温度具有明显的相关性,平均相关系数约为0.9,变化总趋势是随着温度的升高灰度值增大,基本成线性变化。图像灰度梯度与组织温度的相关系数约为0.7。此外,图像功率谱密度、密度标准偏差、不均匀度等也随着组织的温度升高而变化,这与高温消融情况下组织蛋白固化的实验现象相符。初步研究结果证实了热疗中以监测组织B超特征变化为基础,达到无创监测组织温度变化的可行性。（3）研究临床上治疗肝癌的新型水冷却微波天线的热场分布,以期在热疗前对微波热疗温度场进行模拟精确预测。水冷却微波加热天线可减小组织炭化区域,并且在同样加热条件下增大组织的凝固区域。利用自制的直径细且阻抗高的热电偶,在标准静态肝组织等效体模中测量微波辐射热场的比吸收率（Specific Absorption Rate,SAR）分布,为微波热疗温度场的计算机仿真和手术规划奠定基础。考虑到组织热物性特征随温度的变化,为了提高天线附近模拟温度场的逼真度,通过离体猪肝实验进行修正,获得了部分热凝固区的形状大小和温升规律。（4）超声组织定征在微波热疗监测中的应用研究。超声组织定征是指利用组织声特征参数反映组织生理和病理信息,它的研究与完善将为肿瘤热疗带来更大的发展前景。本文提出并分析了热疗中超声背向散射积分值（Integrated Backscatter,IBS）的变化趋势及其温度相关性。研究发现在微波热消融治疗过程中,温升和凝固性坏死造成了组织结构的变化,超声背向散射积分值呈先增大后减小的趋势。这种非可逆的变化,在一定程度上反映了组织消融情况,据此可监测热凝固区的变化和评估疗效。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.1.1 肝癌治疗
• 1.1.2 肿瘤热疗
• 1.1.3 热疗的生物学基础
• 1.2 温度场研究的意义
• 1.2.1 微波热凝固的发展及存在问题
• 1.2.2 本课题的研究目的及意义
• 1.3 国内外热疗测温研究现状
• 1.3.1 有创测温
• 1.3.2 无创测温
• 1.4 本文研究内容及创新点
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 本文工作的创新点
• 1.5 本章小结
• 第2章 超声测温原理和方法
• 2.1 基于声速测温
• 2.1.1 超声渡越时间法
• 2.1.2 超声CT 法
• 2.2 基于声衰减测温
• 2.3 利用超声非线性参数的温度相关性测温
• 2.4 基于声散射的测温研究
• 2.4.1 利用超声回波频移的温度相关性测温
• 2.4.2 利用超声回波时移的温度相关性测温
• 2.5 基于回声强度测温
• 2.6 组织硬度的超声检测
• 2.7 本章小结
• 第3章 超声回波时移测温研究
• 3.1 时移测温实验系统
• 3.2 超声回波信号的采集
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 去气水为实验介质
• 3.2.3 猪肝为实验介质
• 3.3 超声回波信号的检测处理
• 3.3.1 算法模型
• 3.3.2 信号的互相关分析
• 3.3.3 互相关技术在超声回波时移检测中的应用
• 3.3.4 超声回波时移的温度相关性
• 3.4 超声无创测温实验系统的实现
• 3.4.1 整体结构
• 3.4.2 硬件设计
• 3.4.3 软件设计
• 3.4.4 系统测试及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于组织B 超特征的无创测温研究
• 4.1 实验系统的构成
• 4.1.1 水域加热系统
• 4.1.2 植入式微波加热系统
• 4.2 实验数据的采集
• 4.2.1 温热疗法
• 4.2.2 介入微波热凝固
• 4.3 组织B 超特征参数的提取及其温度相关性研究
• 4.3.1 组织B 超特征参数的提取
• 4.3.2 温度相关性研究
• 4.3.3 讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 植入式微波消融三维热场模拟中SAR 的研究
• 5.1 生物体电磁学性质及传热
• 5.1.1 微波热效应
• 5.1.2 人体组织传热方程
• 5.1.3 温度场的计算机模拟
• 5.2 体模中2450MHz 植入式微波探针SAR 的研究
• 5.2.1 比吸收率定义
• 5.2.2 微波热场实验系统的建立
• 5.2.3 实验结果
• 5.3 离体肝脏SAR 的对比检测
• 5.4 本章小结
• 第6章 超声组织定征在肿瘤热疗中的应用
• 6.1 超声背向散射原理及研究意义
• 6.1.1 背向散射参数
• 6.1.2 背向散射积分的临床应用
• 6.2 实验系统设计
• 6.2.1 硬件组成部分
• 6.2.2 系统软件设计
• 6.3 实验数据处理与分析
• 6.3.1 热疗中IBS 的变化规律
• 6.3.2 讨论
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 7.2.1 热疗中的超声无创监测
• 7.2.2 手术规划系统
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢