一种消除浅表组织病灶的微型线聚焦换能器声场的数值计算与仿真方法

目的:本文涉及一种消除浅表组织病灶的微型线聚焦超声声场的数值计算与仿真,通过计算得出声场的三维分布,同时研究柱面自聚焦换能器各个参数对声场的影响,以指导微型自聚焦换能器的设计。方法:本文通过建立三维直角坐标系,应用Rayleigh积分得出微型线聚焦超声换能器聚焦区域内每一点的声强表达式,运用C语言和matlab采用直接数值积分的方法对柱面聚焦超声换能器的声场进行了数值计算和仿真,得出声场的三维分布。结果:从声场的三维分布可以看出:按照本文给定的条件设计,微型线聚焦超声换能器展现出良好的聚焦性能,形成明显的焦域。和普通的柱面超声换能器相比,小型的柱面超声换能器形成的声场在z轴上的声场分布更均匀,x,y方向上衰减更快。结论:通过不同的参数对声场三维分布影响可以看出:微型线聚焦超声换能器的厚度,半径,张角和长度对聚焦的效果有明显影响。与给定的条件相比,选择较厚、半径和张角较大的换能器,能提高聚焦性能,而换能器的长度对聚焦效果影响不大。     

开口柱面换能器声场分析

目的:聚焦超声治疗妇科浅表组织疾病中存在聚焦换能器和定位探头同时放置的问题,在实际的治疗头设计中必须考虑放置B超探头对聚焦声场的影响,本文涉及一种开口柱面换能器聚焦超声声场的数值计算与仿真,通过计算得出声场的三维空间分布,同时研究柱面自聚焦换能器中不同开口形状、位置、面积大小对声场的影响,以指导开口换能器的实际设计。方法:本文通过建立三维直角坐标系,应用Rayleigh积分得出柱面换能器聚焦区域内每一点的声强表达式,运用C语言和matlab采用变步长辛卜生二重积分的方法对开口柱面聚焦超声换能器的声场进行了数值计算和仿真,得出声场的三维分布。结果:对开口的不同形状、大小、位置的声场分布仿真结果表明:不同开口形状都会使聚焦区域声压幅值下降,开口半径增大,声压表现为下降的趋势,Z轴向的声压在换能器的边缘较大,中间小。随着开口中心位置距原点的距离越大,Z轴向的声压分布越不均匀,而对聚焦位置影响不大。结论:通过不同开口参数对声场三维分布影响可以看出:柱面超声换能器的开口形状、位置、面积对聚焦区域的声压均有明显影响。与给定的条件相比,选择位置居中、面积较小、的换能器,能使聚焦性能得到提高,而换能器的开口形状对聚焦效果影响不大。     

柱面换能器声场在组织中的温度分布估计

本文分析了柱面聚焦换能器的声场特点,剖析了方向比（ratio）与声场的关系。结果表明：声场随方向比的降低而焦点强度减弱,声强最大值前移。在求解声场的基础上,对该类换能器的声场在组织中的温度分布进行估计,给出了组织内温度随时间变化的曲线,分析了方向比（ ratio）对焦区温度分布的影响,为该类换能器的参数选择和组织中的温度分布估计提供了参考。     

高强度聚焦超声治疗肿瘤

高强度聚焦超声已经由实验进入临床应用阶段.本文对高强度聚焦超声治疗肿瘤的基本原理与方法进行了探讨,对大量的实验和临床研究进行了总结,认为高强度聚焦超声是治疗实体肿瘤的一种有效方法.     

高强度聚焦超声治疗肿瘤

高强度聚焦超声已经由实验进入临床应用阶段，本文对高强度聚焦超声治疗肿瘤的基本原理与方法进行了探讨，对大量的实验和临床研究进行了总结，认为高强度聚焦超声是治疗实体肿瘤的一种有效方法。     

高强度聚焦超声脑肿瘤治疗焦域温度均匀分布调控的数值仿真研究

在高强度聚焦超声(HIFU)脑肿瘤治疗过程中需严格控制治疗温度。本研究通过调控相控换能器激励信号实现了焦域温度均匀分布的目的。首先,本文利用志愿者头部计算机断层扫描(CT)数据和82阵元相控换能器建立开颅HIFU治疗脑肿瘤的三维数值仿真模型,通过叠加聚焦于两个设定目标点的信号并调控两信号间激励时间差和幅值,研究其对HIFU焦域温度分布及焦域形状大小的调控。研究结果表明,两目标点间距离在一定范围内通过调节两激励信号的激励时间差和幅值可以实现焦域内温度均匀分布,同时可调控焦域形状和体积大小。本文研究的仿真结果或可为HIFU安全有效地应用于临床治疗提供理论方法和参考。     

高强度聚焦超声技术的发展与应用

高强度聚焦超声(HIFU)技术是起源于二十世纪40年代,利用高强度超声波束在体内聚焦,并对目标区域内的病变组织作选择性损坏的一种高强度聚焦超声外科治疗技术.虽然该技术在许多方面优越于传统的外科手术,并且具有极大的潜在临床应用价值,但是由于当时缺乏高精度的成像和定位技术,该技术在临床应用方面的潜能并没有得到广泛的研究和开发利用.近二十几年来,随着计算机、成像及材料等科学技术的迅速发展,众多研究人员对高强度聚焦超声技术再次产生了浓厚的兴趣,并从声源设计、组织损坏机理、消融区域的影像学特征、应用范围的推广等方面进行了广泛而细致的研究.     

B型超声诊断仪凸面相控阵探头聚焦声场的计算

本文对B型超声诊断仪中已广泛使用的凸面相控阵探头的聚焦声场给出了表达式,并分别对B型超声诊断仪中经常使用的两种工作频率3.5MHz和7.5MHz的聚焦声场进行了数值计算,找出了比较理想的聚焦范围和波束宽度。 数值计算同时也给出了工作频率、弧阵孔径以及阵元高度对聚焦范围和波束宽度的影响。     

高强度聚焦超声治疗中空化效应的研究进展

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)作为一种新技术已经成功的应用于临床治疗,其治疗机制一直是研究热点。本文就HIFU治疗中空化效应进行综述。     

超声造影剂在高强度聚焦超声治疗肝癌中的应用

高强度聚焦超声(high-intensityfocusedultrasound,HIFU)技术是将体外低能量的超声波汇聚于体内肿瘤靶区,通过高温效应、空化效应和机械效应,使肿瘤组织产生凝固性坏死,从而达到治疗肿瘤的目的。超声造影剂(ultrasoundcontrastagents)在HIFU治疗肝癌(hepatocellularcarcinoma,HCC)中也有很大的应用价值。探讨了超声造影剂在HIFU治疗肝癌前定性、定位及治疗后疗效评定等方面的作用,尤其是造影剂在HIFU治疗过程中通过增强空化效应,改变声学环境从而提高HIFU治疗肝癌的生物学效应,使超声造影剂成为一种备受重视的HIFU增效剂。     

HIFU治疗热场中的有限元分析

本文对生物传热机制及生物热传导方程进行了研究 ,提出了一个混合型的生物热传导模型。针对带有血管的组织建立了高强度聚焦超声治疗下的组织热传导计算模型 ,并利用有限元方法进行了 3 D瞬态温度场分析。同时 ,根据Sapareto Dewey方法给出了组织消融量的仿真结果。     

组织声学特性对高强度聚焦超声温度场的影响

目的 数值仿真组织声学特性对高强度聚焦超声（HIFU）焦域处温度场的影响,为HIFU治疗安全性和可靠性提供理论依据.方法 以实测新鲜离体猪肝组织不同温度下的声速和衰减系数为依据,利用时域有限差分（FDTD）法数值仿真研究HIFU治疗过程中组织内声速、衰减系数的变化和温度场的分布,分析讨论声速和衰减系数变化对60 ℃以上可治疗区域大小、位置的影响.结果 随着照射时间的延长,焦域处肝组织温升增大,声速下降,声衰减系数增大.随着声速的变化,形成的可治疗区域变大,焦点位置向远离换能器方向移动;随着声衰减系数的变化,焦域大小和焦点位置几乎不变.结论 猪肝组织内声速的变化对可治疗焦域的位置和大小影响较大;声衰减系数的变化对焦域的影响较小.     

Experimental ablation of the pancreas with high intensity focused ultrasound (HIFU) in a porcine model

The aim of this study was to determine the feasibility and safety of high intensity focused ultrasound''s (HIFU) in pancreatic diseases. Twelve pigs were divided into three groups. The pancreases of pigs in Group A were ablated directly with HIFU, but those in Group B and C ablated by extracorporeal HIFU. The pigs in Group C were sacrificed at day 7 after HIFU. Serological parameters were determined pre-operation and post-operation. The entire pancreas was removed for histological examination. Each animal tolerate the HIFU ablation well. The complete necrosis was observed in targeted regions. The margins of the necrotic regions were clearly delineated from the surrounding normal tissues. Infiltration of inflammatory cells and phorocytosis on the boundary were found in group C. Blood and urine amylase levels were relatively steady after HIFU. No acute pancreatitis or severe complications occurred. In conclusion, HIFU ablation on the pancreas was safe and effective in experimental pigs.     

HIFU在牛肝组织中的传播衰减研究

运用辐射压力法研究高强度聚焦超声在牛肝组织中的传播衰减。在室温 2 0℃下 ,利用 4种治疗超声换能器 ,在不同的换能器表面输出声功率下 ,分别测量 2 0、4 0、6 0、80 m m不同厚度新鲜离体牛肝在放入脱气水前后的声辐射力 F、F′,然后计算出声衰减。使用治疗超声换能器 4 ,对于不同辐照深度 ,以声强 ISATA=2 2 .0× 10 3W/cm2、辐照时间 5 s的超声剂量定点辐照新鲜离体牛肝 ,以断层方式剖开后测量凝固性坏死组织体积。研究结果表明 ,对于一个具体的治疗超声换能器 ,在牛肝厚度一定时 ,辐射力穿透率 F′/F法与换能器表面声强及样品近治疗超声换能器表面声窗面积无关。采用最小 F′/F法拟合得出辐射力穿透率随牛肝厚度增加呈指数规律递减 ,且与凝固性坏死组织体积随牛肝厚度 (辐照深度 )增加呈指数规律递减趋势一致。采用最小二乘法拟合得出高度聚集超声在牛肝组织中传播的声衰随频率近似线性增加且呈幂函数关系。这为进一步研究高强度聚焦超声治疗剂量学提供了实验依据     

血管位置对HIFU焦域温度场的影响

目的 数值仿真研究不同位置的血管对高强度聚焦超声(HIFU)可治疗焦域的影响,为HIFU治疗安全性和可靠性提供理论依据.方法 应用超声非线性传播方程、Pennes生物热传导方程以及FDTD法数值仿真温度场分布.结果 考虑血流灌注与否,HIFU焦域温度场分布相一致.血管中心位于声轴时,焦域中心温升非常低;当血管偏离声轴小...     

HIFU在牛肝组织中形成线形凝固性坏死的剂量投放研究

探讨高强度聚集超声(High ntensity focused ultrasound,HIFU)在牛肝组织中形成线形凝固性坏死的剂量投放策略。首先在辐照深度2cm处用声强(ISAL)6500W/cm2的HIFU定点辐照牛肝1s得到一横径W为3mm的点状凝固性坏死。采用单个点状凝固性坏死相互叠加形成线形凝固性坏死时,相邻的两个单次辐照的空间间距D分别为1、2、2.5、3、4.5、5mm。当采用直线扫描形成线形凝固性坏死时,扫描速度V分别为1、3、6、7mm/s,往返次数为1。辐照结束后沿长度方向剖开,直视下观察最大剖面的损伤形态、范围、程度和损伤的完整性。结果表明,当D≤W时,采用单个点状凝固性坏死相互叠加能在牛肝中形成一个完整的线形凝固性坏死,当D>W时不能在牛肝中形成一个完整的线形凝固性坏死,且中间有正常组织的残留。当运动速度V为3mm/s,往返次数为1,采用直线扫描方式能在牛肝中形成了一个边界清楚、能量分布均匀、中间没有正常组织残留的完整的线形凝固性坏死。实验结果证实:依据单个点状凝固性坏死的声辐照和其大小确定形成线形凝固性坏死的辐照参数并进行剂量投放能够在组织中形成线形凝固性坏死。     

高强度聚焦超声"切除"组织的剂量学研究

运用高强度聚焦超声（High intensity focused ultrasound．HIFU）技术完整切除组织块并确立相应的能效关系，从而进行HIFU剂量学研究。按照由生物学焦域（Biological focal region，BFR）→束损伤→片损伤→块损伤的治疗原则，使用ISATA为0～27700W／cm^2，扫描速度1～4mm／s，束损伤的空间间距5～10mm，片损伤的空间间距10～20mm，在离体牛肝组织中形成不同治疗深度的束损伤、片损伤和块损伤，从而实现完整切除组织块。并把形成单位体积凝固性坏死所需的HIFU超声能量叫做HIFU治疗的能效因子（Energy—efficiency factor．EEF），用EEF量化HIFU在组织内的能量存积。研究结果表明，在不同治疗深度处形成的束损伤的EEF随治疗深度的增加而增大。形成片损伤、块损伤的EEF远远小于在不同治疗深度处形成束损伤的EEF，且形成块损伤的EEF小于形成片损伤的EEF。形成片损伤、块损伤的EEF并不是不同治疗深度的束损伤的EEF、不同治疗层面的片损伤的EEF的简单叠加，它与一个已存在的损伤改变了组织声环境有关，提示可通过改变组织声环境来改变EEF。因此，用EEF来进行HIFU的剂量学研究是一个新思路。对一个固定的聚焦超声换能器，EEF除了与声功率、辐照时间、治疗深度、组织结构和功能状态有关外，另一个重要的影响因素是H1FU治疗过程中组织声环境的改变。     

血管位置对HIFU焦域温度场的影响

目的 数值仿真研究不同位置的血管对高强度聚焦超声(HIFU)可治疗焦域的影响,为HIFU治疗安全性和可靠性提供理论依据.方法 应用超声非线性传播方程、Pennes生物热传导方程以及FDTD法数值仿真温度场分布.结果 考虑血流灌注与否,HIFU焦域温度场分布相一致.血管中心位于声轴时,焦域中心温升非常低;当血管偏离声轴小于3.0mm时,可治疗焦区不再关于声轴对称,焦域中心温升没有明显变化;当血管偏离声轴大于3.0 mm时,血管对可治疗区域的温度场分布基本无影响.结论 脂肪组织内血流灌注对HIFU焦域温度场的影响可以不予考虑;直径2 mm血管位于可治疗区域内,对血管内及周边组织温升影响很大,可能导致血管周围组织不完全致死;当直径2 mm血管距声轴小于3 mm对可治疗区域仍有影响,但大于3.0 mm时,血管对可治疗区域的影响可以不予考虑.     

HIFU技术的应用研究

高强度聚焦超声（ＨＩＦＵ）技术起源于四十年代，当时由于缺乏高精度的成像和定位技术，没有能迅速发展起来。现代成像技术和定位技术的发展为该技术提供了支持，其应用范围也深入到神经科、秘尿科、眼科、肿瘤学等领域。     

比较影像学在评价HIFU治疗肝癌疗效中的应用

高强度聚焦超声是治疗肝癌的有效物理手段之一。影像学技术是评价高强度聚焦超声治疗肝癌疗效的重要手段。比较影像学是近年来一门新兴的医学学科,主要探讨比较影像学在高强度聚焦超声治疗肝癌评价中的应用。