高强度聚焦超声作用下的组织焦域能量分析及实验验证

为研究发生空化前高强度聚焦超声(HIFU)作用的最佳治疗模式,从声场和热场的仿真计算和新鲜离体牛肝实验验证出发,根据声能转化成热能的原理,分析了组织焦域温度上升造成组织损伤的变化过程;建立了与温度相关的组织损伤预测模型;计算了形成1 mm宽度的生物学焦域所吸收的能量;并在75、100、125、150 W这4种声功率下,按照350 J能量,共进行了24组新鲜离体牛肝组织的实验,验证该能量强度形成的生物学焦域尺寸。结果表明,经组织衰减后生物学焦域吸收的超声能量为350 J时,在新鲜离体牛肝组织中形成的生物学焦域宽度为(1.1±0.1)mm;当换能器物理学焦域的长短轴之比在4～10之间变动时,吸收350 J形成的生物学焦域宽度保持在(1.0±0.2) mm。在充分除气的均匀介质牛肝中,当换能器的物理学焦域长短轴比在4～10之间时,吸收350 J能量,声功率100～150 W是形成(1.0±0.2) mm宽度的生物学焦域的最佳治疗模式。     

一种基于B超图像的亚像素级HIFU束损伤监控方法

目前基于超声引导的HIFU治疗系统尚无低费用、实时、有效的监控方法。提出一种基于B超的图像方法，分析HIFU焦域位置相关矢量场与HIFU对软组织造成的束损伤间的关系。采用新鲜猪肉组织为标本，对其进行不同剂量的HIFU分组辐照，获取辐照前后的B超图像，并记录软组织相应的损伤程度，同时记录植入式热电偶测得的参考温度。对辐照前后HIFU焦域位置B超图像进行二维亚像素级互相关分析。结果表明，B超图像亚像素级相关分析矢量场可反映组织发生凝固性坏死的位置，其相关距离可以反映组织束损伤程度。基于B超图像相关性的亚像素级监控方法，可以帮助HIFU临床医生实时有效地监控HIFU束损伤程度，及时调整HIFU治疗剂量，提高治疗效果。     

高强度聚焦超声经颅治疗温度场的数值仿真研究

数值仿真是预测高强度聚焦超声(HIFU)温度场分布的有效方法之一。本研究参照人体头颅结构建立HIFU经颅骨治疗模型,采用Westervelt声波传播方程的近似式和Pennes生物热传导方程数值仿真HIFU经颅骨治疗的温度场分布,利用时间反转法对焦域位置进行调控和颅骨温度较高处的热点消除,进而分析讨论输入声强、辐照时间、换能器与颅骨相对距离对颅内形成焦域的影响。研究结果表明,时间反转法可实现HIFU经颅治疗形成焦域位置的调控和颅骨温度较高处的热点消除,热点消除后焦点温升无明显降低;利用热点消除法可在距离颅骨20mm的颅内浅表组织中形成60℃以上的焦域,形成的焦域体积随输入声强以及辐照时间的增加而非线性增加,声强越大,达到相同大小的焦域体积所需要的辐照时间越短,且换能器与颅骨之间的距离对颅内形成焦域体积的大小有影响。     

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.     

空化增效高强度聚焦超声治疗研究进展

高强度聚焦超声（HIFU）已被证实是一种安全、有效的无创实体肿瘤消融方法,但目前面临的主要问题是治疗时间相对较长、治疗效率低。在HIFU治疗中可以通过空化实现增效,通过何种方式产生空化效应,如何提高空化对热效应的增效作用一直是研究者关注的问题。本文分别从体外引入空化核、声学驱动产生空化核两个角度,综述在HIFU治疗中通过微泡造影剂、相变纳米液滴、双频HIFU、脉冲波增强热效应、调强峰值声压增强HIFU的治疗效果。 【关键词】高强度聚焦超声;空化效应;热效应;增效;综述     

高强度聚焦超声"切除"肿瘤过程中的空化效应

随着高强度聚焦超声(HIFU)在多种肿瘤治疗中的广泛应用,对其生物学效应的研究也不断深入.空化效应是超声的主要生物学效应之一.本文对近年来众学者在HIFU治疗肿瘤过程中关于空化效应是否存在、产生空化效应的条件以及对空化效应的评价等问题进行了较为全面的阐述.     

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“切除”肿瘤过程中的空化效应

随着高强度聚焦超声(HIFU)在多种肿瘤治疗中的广泛应用，对其生物学效应的研究也不断深入。空化效应是超声的主要生物学效应之一。本对近年来众学在HIFU治疗肿瘤过程中关于空化效应是否存在、产生空化效应的条件以及对空化效应的评价等问题进行了较为全面的阐述。     

基于PCA-LDA的HIFU治疗中组织损伤无损检测方法

组织损伤的无损检测是HIFU治疗过程中非常重要的辅助过程。提出了一种通过B超图像无损地检测组织损伤的方法。HIFU辐射后,组织损伤必然会引起B超图像的变化,只对HIFU焦域附近的数字减影图像进行处理和分析。利用新鲜离体猪肉组织和猪肝组织实验,利用主分量分析(PCA)和线性判别分析(LDA)相结合的方法,对减影图像进行特征提取,利用最近邻方法进行分类识别。对于离体猪肉组织中损伤的识别率达94.5%,对于离体猪肝组织中组织损伤的识别率达87.5%。PCA-LDA方法的识别率要优于平均灰度作为识别特征等利用单一特征的识别方法。     

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...