發(fā)布時間：2018-01-22 23:48

  本文關(guān)鍵詞： HIFU 經(jīng)顱 腦腫瘤 溫度場 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】：高強度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound,HIFU)是一種無創(chuàng)、無毒、無副作用的腫瘤治療手術(shù),通過超聲波的機械效應(yīng)、熱效應(yīng)、空化效應(yīng)等作用機制使靶區(qū)的溫度在數(shù)秒內(nèi)上升到60℃以上,導(dǎo)致腫瘤細胞發(fā)生凝固性壞死,目前該技術(shù)已應(yīng)用于實體腫瘤的臨床治療。而對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)顱骨治療的溫度場分布,利用時間反轉(zhuǎn)法對焦域位置進行調(diào)控和顱骨溫度較高處的熱點消除,進而分析討論輸入聲強、輻照時間、換能器與顱骨相對距離對顱內(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HIFU經(jīng)顱治療進行仿真建模并數(shù)值仿真其溫度場分布。.在圓柱坐標系下,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,利用高強度超聲傳播的非線性理論和時域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)的數(shù)值仿真法,數(shù)值仿真計算不同時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,并對焦域位置進行調(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顱內(nèi)形成焦域及其溫度場分布的影響。而對于基于CT圖像建立的人體頭顱模型,在直角坐標系下采用64陣元換能器,在不同治療條件下數(shù)值仿真HIFU治療腦腫瘤過程中形成的溫度場分布,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,進而分析輻照因素對顱內(nèi)形成焦域及其溫度場分布的影響。研究結(jié)果一、均質(zhì)化頭顱參數(shù)模型的數(shù)值仿真:1、采用時間反轉(zhuǎn)法后形成的焦點位置與設(shè)定80mm的焦距僅相差0.4mm;2、采用熱點消除法后顱骨處最高溫升僅為2.4℃,達到了降低顱骨溫升的目的;3、在輻照時間相同的條件下,當(dāng)形成一定焦域體積時進行熱點消除后的經(jīng)顱HIFU治療所需要的輸入能量要大于無顱骨治療時的輸入能量;4、經(jīng)過熱點消除后,不同輸入聲強開始形成焦域所需要的時間不同,輸入聲強越大所需時間越短,且焦域體積隨輻照時間的延長而非線性增加;輸入聲強越大,焦域體積隨時間的增長率越大;5、聲強越大,達到相同大小的焦域體積所需要的輻照時間越短;聲強越小,達到相同大小的焦域體積所需要的輻照時間越長;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,形成的焦域體積隨輻照時間變化率不同。二、人體頭顱模型的數(shù)值仿真:1、采用時間反轉(zhuǎn)法后形成的焦點位置與設(shè)定80mm的焦距僅相差0.75mm;2、采用熱點消除法后顱骨處最高溫升僅為9.7℃,達到了降低顱骨溫升的目的;3、當(dāng)輸入聲強一定時,顱骨溫升以及焦點溫升均隨輻照時間延長呈非線性增加,并且經(jīng)過熱點消除后的焦點溫升略有升高,在進行熱點消除時對實際焦點處的溫升隨時間變化趨勢影響不大;4、隨著治療深度由深到淺,采用時間反轉(zhuǎn)相控聚焦法形成的焦域逐漸減小,而當(dāng)熱點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,換能器與顱骨之間距離不同時,經(jīng)過熱點消除后,能夠形成焦域體積最大時的顱骨位置發(fā)生了改變,因此在制定治療臨床計劃時,需要進行數(shù)值仿真計算來預(yù)測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,使其位置能夠到達目標靶區(qū);2、在治療腫瘤位于淺表組織位置時,利用熱點消除法可降低顱骨的溫升,同時焦點處的溫升略有降低,且對焦點影響不大;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,輻照時間與輻照聲強呈負相關(guān);5、HIFU經(jīng)顱治療形成的焦域體積隨輸入聲強以及輻照時間的增加而非線性增加;6、換能器與顱骨間的距離對焦域的形狀、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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB559;R739.41

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本文編號：1456070