發(fā)布時(shí)間：2018-01-22 23:48

  本文關(guān)鍵詞： HIFU 經(jīng)顱 腦腫瘤 溫度場(chǎng) CT圖像 建模 焦域　出處：《天津醫(yī)科大學(xué)》2014年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：高強(qiáng)度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound,HIFU)是一種無(wú)創(chuàng)、無(wú)毒、無(wú)副作用的腫瘤治療手術(shù),通過(guò)超聲波的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、空化效應(yīng)等作用機(jī)制使靶區(qū)的溫度在數(shù)秒內(nèi)上升到60℃以上,導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞發(fā)生凝固性壞死,目前該技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)體腫瘤的臨床治療。而對(duì)于有顱骨遮擋的腦腫瘤HIFU經(jīng)顱治療而言,由于超聲經(jīng)顱傳播時(shí)產(chǎn)生相位偏移和幅值衰減,在顱骨內(nèi)不能形成焦域或形成的焦域偏離靶區(qū);同時(shí)又由于顱骨與周邊軟組織的聲阻抗相差較大,在HIFU治療顱內(nèi)淺表組織腫瘤過(guò)程中可能在顱骨處產(chǎn)生熱量沉積,引起顱骨以及周圍軟組織的損傷等問(wèn)題,限制了 HIFU治療腦腫瘤在臨床中的應(yīng)用。研究目的參照人體CT頭顱結(jié)構(gòu),建立三維HIFU經(jīng)顱骨治療模型,采用聲波傳播方程式和生物熱傳導(dǎo)方程數(shù)值仿真HIFU經(jīng)顱骨治療的溫度場(chǎng)分布,利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法對(duì)焦域位置進(jìn)行調(diào)控和顱骨溫度較高處的熱點(diǎn)消除,進(jìn)而分析討論輸入聲強(qiáng)、輻照時(shí)間、換能器與顱骨相對(duì)距離對(duì)顱內(nèi)形成焦域的影響。其研究結(jié)果可為臨床HIFU腦腫瘤治療劑量及其治療計(jì)劃的制定提供理論參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。研究方法本課題主要對(duì)HIFU經(jīng)顱治療進(jìn)行仿真建模并數(shù)值仿真其溫度場(chǎng)分布。.在圓柱坐標(biāo)系下,參照人體頭顱CT圖像建立均質(zhì)化頭顱參數(shù)的結(jié)構(gòu)與八元環(huán)換能器構(gòu)成該模型,利用高強(qiáng)度超聲傳播的非線性理論和時(shí)域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)的數(shù)值仿真法,數(shù)值仿真計(jì)算不同時(shí)間和空間超聲波非線性傳播的聲壓,并結(jié)合Pennes生物熱傳導(dǎo)方程,在不同治療條件下數(shù)值仿真HIFU治療腦腫瘤,并對(duì)焦域位置進(jìn)行調(diào)控和降低顱骨處溫升以優(yōu)化HIFU經(jīng)顱治療,仿真研究輻照因素對(duì)顱內(nèi)形成焦域及其溫度場(chǎng)分布的影響。而對(duì)于基于CT圖像建立的人體頭顱模型,在直角坐標(biāo)系下采用64陣元換能器,在不同治療條件下數(shù)值仿真HIFU治療腦腫瘤過(guò)程中形成的溫度場(chǎng)分布,將均質(zhì)化頭顱模型中分析討論的相控方法應(yīng)用在該模型中,進(jìn)而分析輻照因素對(duì)顱內(nèi)形成焦域及其溫度場(chǎng)分布的影響。研究結(jié)果一、均質(zhì)化頭顱參數(shù)模型的數(shù)值仿真:1、采用時(shí)間反轉(zhuǎn)法后形成的焦點(diǎn)位置與設(shè)定80mm的焦距僅相差0.4mm;2、采用熱點(diǎn)消除法后顱骨處最高溫升僅為2.4℃,達(dá)到了降低顱骨溫升的目的;3、在輻照時(shí)間相同的條件下,當(dāng)形成一定焦域體積時(shí)進(jìn)行熱點(diǎn)消除后的經(jīng)顱HIFU治療所需要的輸入能量要大于無(wú)顱骨治療時(shí)的輸入能量;4、經(jīng)過(guò)熱點(diǎn)消除后,不同輸入聲強(qiáng)開始形成焦域所需要的時(shí)間不同,輸入聲強(qiáng)越大所需時(shí)間越短,且焦域體積隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)而非線性增加;輸入聲強(qiáng)越大,焦域體積隨時(shí)間的增長(zhǎng)率越大;5、聲強(qiáng)越大,達(dá)到相同大小的焦域體積所需要的輻照時(shí)間越短;聲強(qiáng)越小,達(dá)到相同大小的焦域體積所需要的輻照時(shí)間越長(zhǎng);6、在治療深度為20mm的條件下,當(dāng)換能器與顱骨之間距離不同時(shí),形成的焦域體積隨輻照時(shí)間變化率不同。二、人體頭顱模型的數(shù)值仿真:1、采用時(shí)間反轉(zhuǎn)法后形成的焦點(diǎn)位置與設(shè)定80mm的焦距僅相差0.75mm;2、采用熱點(diǎn)消除法后顱骨處最高溫升僅為9.7℃,達(dá)到了降低顱骨溫升的目的;3、當(dāng)輸入聲強(qiáng)一定時(shí),顱骨溫升以及焦點(diǎn)溫升均隨輻照時(shí)間延長(zhǎng)呈非線性增加,并且經(jīng)過(guò)熱點(diǎn)消除后的焦點(diǎn)溫升略有升高,在進(jìn)行熱點(diǎn)消除時(shí)對(duì)實(shí)際焦點(diǎn)處的溫升隨時(shí)間變化趨勢(shì)影響不大;4、隨著治療深度由深到淺,采用時(shí)間反轉(zhuǎn)相控聚焦法形成的焦域逐漸減小,而當(dāng)熱點(diǎn)消除后形成的焦域也隨治療深度的變淺而體積逐漸減小,當(dāng)治療深度為20mm時(shí)未形成焦域,因此根據(jù)腫瘤靶區(qū)位置不同,需要消除熱點(diǎn)的案例也不同,形成的焦域體積隨治療深度也不同;5、當(dāng)設(shè)定治療深度一定為25mm時(shí),換能器與顱骨之間距離不同時(shí),經(jīng)過(guò)熱點(diǎn)消除后,能夠形成焦域體積最大時(shí)的顱骨位置發(fā)生了改變,因此在制定治療臨床計(jì)劃時(shí),需要進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)能夠形成最大的焦域體積以選擇最佳的治療位置。綜合上述仿真結(jié)果,得到如下結(jié)論:1、時(shí)間反轉(zhuǎn)法可以調(diào)控經(jīng)顱HIFU的焦域位置,使其位置能夠到達(dá)目標(biāo)靶區(qū);2、在治療腫瘤位于淺表組織位置時(shí),利用熱點(diǎn)消除法可降低顱骨的溫升,同時(shí)焦點(diǎn)處的溫升略有降低,且對(duì)焦點(diǎn)影響不大;3、HIFU經(jīng)顱治療所需的能量大于HIFU不經(jīng)顱骨的治療;4、在相同焦域體積條件下,輻照時(shí)間與輻照聲強(qiáng)呈負(fù)相關(guān);5、HIFU經(jīng)顱治療形成的焦域體積隨輸入聲強(qiáng)以及輻照時(shí)間的增加而非線性增加;6、換能器與顱骨間的距離對(duì)焦域的形狀、大小均有影響。
[Abstract]:High intensity focused ultrasound ( HIFU ) is a non - invasive , non - toxic and side - effect tumor treatment operation . In the cylindrical coordinate system , the structure of homogenized skull parameters and eight - membered ring transducer are established with reference to the human skull CT image . The influence of radiation factors on intracranial formation of focal area and temperature field distribution is studied by using the numerical simulation method of high intensity ultrasonic propagation . 3 . When the treatment depth is set to 25mm , the focal area of the skull can be decreased with the depth of treatment .

【學(xué)位授予單位】：天津醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TB559;R739.41

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本文編號(hào)：1456070