HIFU经颅聚焦剪切波及驻波对焦域影响的数值仿真研究

论文摘要

脑肿瘤为严重危害人类健康的前十位恶性肿瘤,目前其主要疗法为外科手术切除、放疗和化疗,这些疗法均存在对正常组织损伤的问题。近年兴起的高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是一种将超声波聚焦在病变组织上,利用超声波的热效应、空化效应和机械效应等致死病变组织的治疗方法,该疗法具有非侵入性、无电离伤害、可重复施治等特点,现已成为研究热点之一,目前已经应用于子宫肌瘤、前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌等临床治疗,在神经刺激、运动障碍和胶质瘤等脑部神经系统疾病方面的治疗也开始临床试验。但由于颅骨的非均质结构及组织特性,在HIFU经颅治疗时,颅骨内超声波的传播既有纵波又有剪切波,同时由于颅骨与周围软组织的声学特性差异较大,在HIFU经颅传播时,超声波在颅骨处会产生反射和折射,导致相位偏移和幅值衰减,从而引发散焦、移位和驻波等物理现象,进而出现焦点能量不足、焦域偏移、头皮烫伤、正常脑组织伤害等临床治疗问题,急需深入研究解决。本文基于志愿者人体头颅CT数据和256阵元相控换能器结构参数,建立数值仿真模型,采用选择基底部分阵元激励的方法改变聚焦角度,研究换能器以不同聚焦角度经颅聚焦时,剪切波对聚焦声压场产生的影响;利用82阵元相控换能器与志愿者头颅CT数据建立数值仿真模型,基于打破驻波形成条件的构思,数值仿真研究颅内外驻波的消减方法,为HIFU早日安全而有效地应用于临床经颅脑肿瘤治疗提供技术方法和理论数据。目的HIFU经颅脑肿瘤治疗相对于软组织肿瘤治疗最大的区别与挑战在于超声波穿过颅骨,其原因在于颅骨非均质结构及骨组织特性,在其内既有纵波又有剪切波,同时颅骨与周围软组织的声学特性差异较大产生反射,并与治疗波叠加形成驻波导致颅外超声波能量无法传进颅内、颅内焦点能量不足、正常脑组织损害等问题。本文的研究目的为数值仿真研究剪切波对HIFU经颅脑肿瘤治疗焦域的影响和防止驻波形成的方法。为下一步经颅HIFU动物实验和临床试验打下基础,为实现HIFU脑肿瘤治疗的有效性和安全性提供技术保障。方法基于本实验室设计的随机分布256阵元相控换能器结构参数,结合志愿者头颅CT扫描数据,建立相控换能器三维HIFU经颅传播的数值仿真模型,利用选择相控换能器阵元部分激励的方法改变聚焦角度;在该数值仿真模型下,基于时间反转的数值拟合相位调控方法(Phase Modulation by Fitting,PFM)获取换能器阵元的激励信号;基于自相关互相关的数值拟合幅值调控方法对换能器阵元激励信号进行调制;在GPU并行运算平台上(容天SCS4450(双核CPU/2.6GHz/内存128GB/显存96GB)应用CUDA C语言FDTD(Finite Difference Time Domain)数值解析Westervelt声波非线性传播方程、动量方程、质量守恒方程和Pennes生物热传导方程,研究在未考虑剪切波与考虑剪切波的条件下形成的温度场,研究不同聚焦角度条件下剪切波对形成焦域的影响;基于本实验室设计的82阵元半随机分布相控换能器结构参数,利用志愿者头颅CT图像数据建立球冠状相控换能器三维HIFU经颅传播的数值仿真模型,研究驻波消减的方法。结果剪切波的影响(1)当设定总功率为15W、辐照时间为5s时,未考虑剪切波数值仿真形成的焦域最高温度低于54℃治疗温度,考虑剪切波数值仿真形成焦域最高温度高于54℃治疗温度,但出现散焦;结合幅值调控后,考虑剪切波与未考虑剪切波数值仿真形成的聚焦温度场焦域温度均有所提升,且未出现散焦。(2)当设定总功率为150W、设定数值仿真形成的经颅聚焦温度场焦点温度达到65℃停止辐照时,随聚焦角度的增大,辐照时间逐渐减少,颅骨处的最大温度逐渐降低,形成最高温度位置逐渐向颅骨侧移动;聚焦角度相同时,考虑剪切波数值仿真形成温度场在颅骨处温度高于未考虑剪切波,焦点位置偏移基本相同。(3)当聚焦角度大于30°时,考虑剪切波数值仿真形成的治疗焦域面积大于未考虑剪切波;当聚焦角度为30°~150°时,考虑剪切波数值仿真形成的54℃~65℃治疗焦域面积小于未考虑剪切波;随聚焦角度的增大,54℃~65℃的治疗焦域面积逐渐减小,考虑剪切波数值仿真形成焦域温度场旁瓣较少。(4)与最小二乘法及反比例函数相比,利用幂指数函数拟合治疗焦域面积随聚焦角度变化的曲线,治疗焦域面积拟合值与仿真值之间的和方差、均方根均较小,可决系数较大,拟合优度较好。2.驻波的影响(1)当采用驻波消减时,数值仿真形成的声压场的焦点处声压相对于未消减时升高,颅骨处温升均有小幅度升高,骨焦比呈震荡减小;经枕骨声窗入射数值仿真形成声压场的不同转换周期骨焦比均大于经颞骨声窗入射。(2)当转换周期T_r的取值范围在0~20μs时,采用驻波消减所得到的全区域、颅外、颅内的驻波比R_a与未消减时相比均有降低;转换周期T_r相同时,颅内R_a比颅外R_a大;随T_r增大全区域R_a、颅外R_a、颅内R_a均逐渐增大。(3)当转换周期T_r的取值范围在0~20μs时,经三位志愿者颞骨及枕骨声窗形成的焦域焦点处温升大幅度提升,颅骨处温度略有提升,声压曲线更加平稳,震荡波动减少;焦点在z轴上的偏移比在y轴上的偏移大,焦域面积、长轴长、短轴长均有一定程度增大;对于同一位志愿者,经颞骨声窗入射形成焦点的偏移范围大于经枕骨声窗产生的焦点偏移范围,经颞骨声窗入射形成焦点的偏移范围大于经枕骨声窗产生的焦点偏移范围。(4)未进行驻波消减时,驻波比随厚度呈先减小后增大的周期性变化;颅外驻波比随R_c与换能器曲率半径差值增大而增大,颅内驻波比随R_c增大而减小,全区域驻波比随R_c与换能器曲率半径差值的绝对值增大而增大。结论1.考虑剪切波数值仿真形成焦域存在散焦,幅值调控后散焦情况改善。2.考虑剪切波数值仿真形成焦域温度场54~65℃治疗焦域更集中、旁瓣更少、温升更快,但在颅骨处的热沉积相对较多,幂指数函数形式更适合拟合治疗焦域面积随聚焦角度变化曲线。3.驻波消减后,驻波强度明显降低,但随添加随机相位的转换周期T_r增大,驻波强度逐渐增大,驻波消减效果逐渐降低。4.随颅骨厚度增大,驻波比R_a以超声波波长为周期,呈规律性变化;随颅骨与换能器曲率半径差值增大,驻波比R_a逐渐增加。

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中文摘要

Abstract

缩略语

一、前言

1.1 研究背景

1.2 研究目的

1.3 研究内容

二、数值仿真方法及基本方程式

2.1 时域有限差分法

2.2 软组织和水中超声波传播基本方程式

2.2.1 Westervelt声波方程式

2.2.2 FDTD中心差分方程式

2.2.3 声压场边界处理

2.3 骨组织内超声波传播基本方程式

2.3.1 动量方程与质量守恒方程

2.3.2 FDTD中心差分方程式

2.4 Pennes生物热传导方程式

2.4.1 微分方程式

2.4.2 FDTD中心差分方程式

2.4.3 温度场边界处理

2.5 时域有限差分法的稳定条件

三、剪切波的影响

3.1 数值仿真模型与仿真参数

3.1.1 数值仿真模型

3.1.2 数值仿真参数

3.2 阵元激励信号

3.3 数值仿真结果

3.3.1 剪切波的影响

3.3.2 聚焦角度的影响

3.3.3 聚焦角度与焦域面积的相关性

3.4 小结

四、驻波的影响

4.1 数值仿真模型与仿真参数

4.1.1 数值仿真模型

4.1.2 志愿者及数值仿真参数

4.2 阵元激励信号

4.3 数值仿真结果

4.3.1 驻波的影响

4.3.2 驻波与颅骨结构参数的相关性

4.4 小结

五、结论

5.1 结论

5.2 讨论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述 HIFU相控超声换能器的现状及其研究进展

综述参考文献

附表

致谢

个人简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张艳秋

导师: 菅喜岐

关键词: 高强度聚焦超声,经颅,剪切波,驻波,数值仿真

来源: 天津医科大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 物理学,神经病学,肿瘤学

单位: 天津医科大学

分类号: O426.9;R739.4

DOI: 10.27366/d.cnki.gtyku.2019.000270

总页数: 88

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