【摘 要】
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研究背景高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）消融技术具有无辐射、无创等优点,已被广泛应用于多种良/恶性实体肿瘤的治疗。HIFU消融主要依赖于焦域处的超声热效应,因此,对焦域温度变化进行精确、实时的测量是实现HIFU精准治疗的关键。目前,基于磁共振引导的HIFU是唯一能够实现在HIFU临床治疗中对焦域温度分布进行测量的技术。虽然该技术能够较为
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研究背景高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）消融技术具有无辐射、无创等优点,已被广泛应用于多种良/恶性实体肿瘤的治疗。HIFU消融主要依赖于焦域处的超声热效应,因此,对焦域温度变化进行精确、实时的测量是实现HIFU精准治疗的关键。目前,基于磁共振引导的HIFU是唯一能够实现在HIFU临床治疗中对焦域温度分布进行测量的技术。虽然该技术能够较为精确的测量靶区组织温度的变化,但也存在成本高、操作复杂、扫描时间长等不足。寻求低成本、便捷及无创的焦域温度测量新方法一直是HIFU靶组织热场监测亟待解决的关键问题。目的本课题将传热反向推理思想引入到HIFU热效应研究中,旨在构建一种经济、简便的HIFU焦域温度重构方案,为HIFU临床治疗中焦域温度场的预测提供理论和实验研究数据。方法利用HIFU焦域传热特性的阶跃响应系数构建了测点温度的预测模型。在该预测模型的基础上,通过滚动优化实现了HIFU靶组织热源的反演,进一步,通过该反演热源重构了HIFU焦域的温度分布。上述反演方法利用数值模拟手段,通过构建声热耦合模型,采用有限元法对组织区域进行离散化,本文通过考虑非线性声传播的Westervelt方程构建了非线性声传播情况下的理论模型,结合Pennes生物组织传热方程计算了HIFU焦域的动态温度场分布。并针对不同辐照深度及不同离体组织中的焦域温度分布进行了计算,探讨了这些参数变化与焦域温度变化之间的规律,将等效热剂量大于240 min以上区域定义为凝固性坏死区域,设计离体实验验证了正问题模型的可行性,该方案旨在构建一种理论性的HIFU个性化治疗中焦域温度计算模型。在HIFU传热反问题的研究中提出模型预测思想,针对HIFU传热的特点建立了靶组织内测点温度与热源之间的预测模型,基于预测模型建立模型预测的反演方案估算HIFU在靶组织中诱导的热源,通过正问题模型产生的数据对反演方案不断进行训练和优化,最后利用反演热源求解生物传热方程重构HIFU消融靶组织内的温度分布。结果1.借助数值模拟方法,通过构建声热耦合模型,采用有限元法对HIFU靶组织区域进行离散化,通过利用Westervelt方程和Pennes生物组织传热方程计算了HIFU焦域的瞬态温度分布,并针对不同辐照模式、不同辐照深度以及不同离体组织中的焦域温度分布进行了仿真计算,并探讨了这些参数的变化与焦域温度变化之间的规律,构建了一种理论性的HIFU间歇式辐照离体组织的焦域温度仿真模型。2.通过HIFU焦域温升和凝固性坏死面积大小的对比表明,仿真和离体实验具有较好的一致性,说明HIFU传热正问题模型得到了实验验证。相同离体组织在不同辐照深度下,随着辐照深度的增加,HIFU焦域温度逐渐降低,有效温升面积逐渐减小,凝固性坏死面积逐渐减小。相同辐照深度下,由于离体肝脏组织和离体脂肪组织的声特性参数和热特性参数的不同,超声在声通道传播过程中能量衰减不同,造成靶区的能量沉积差异进而影响焦域的温度场。3.针对HIFU焦域热源传热的反演问题,分别构建了二维、三维传热模型,建立了热源与相应温度观测点的输入-输出预测模型。预测模型用于预测相应观测空间点的温度向量。利用观测空间温度,通过滚动优化得到靶区目标组织中热源的估计值。最后,将热源估计值带入Pennes生物组织传热方程重构了HIFU消融靶组织内的焦域温度分布。4.通过数值实验探讨了不同热源形式、未来时间步长r和测量误差对HIFU时空间分布热源反演的影响。数值实验结果表明,反演方案提高了反演结果对测量误差的抗干扰能力,有效的降低了反演结果对未来时间步长r的依赖性,保证了反演结果的稳定性和准确性。结论1.建立了基于HIFU间歇式辐照过程中焦域温度分布的传热正问题模型,离体实验验证了传热正问题模型的可行性,为研究靶组织温度场重构的反问题模型提供了理论基础与数据支撑。2.本文构建了一种基于模型预测的HIFU焦域温度反向推理方案,该方案有效地降低了反演结果对时间步长r的依赖性,保证了反演结果的稳定性和准确性,为HIFU焦域测量提供了一种可供选择的研究手段和方案。
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