高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)是一种无创、无毒、无副作用的肿瘤治疗手术,通过超声波的机械效应、热效应、空化效应等作用机制使靶区的温度在数秒内上升到60℃以上,导致肿瘤细胞发生凝固性坏死,目前该技术已应用于实体肿瘤的临床治疗。而对于有颅骨遮挡的脑肿瘤HIFU经颅治疗而言,由于超声经颅传播时产生相位偏移和幅值衰减,在颅骨内不能形成焦域或形成的焦域偏离靶区;同时又由于颅骨与周边软组织的声阻抗相差较大,在HIFU治疗颅内浅表组织肿瘤过程中可能在颅骨处产生热量沉积,引起颅骨以及周围软组织的损伤等问题,限制了 HIFU治疗脑肿瘤在临床中的应用。研究目的参照人体CT头颅结构,建立三维HIFU经颅骨治疗模型,采用声波传播方程式和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。其研究结果可为临床HIFU脑肿瘤治疗剂量及其治疗计划的制定提供理论参考数据和理论依据。研究方法本课题主要对HIFU经颅治疗进行仿真建模并数值仿真其温度场分布。.在圆柱坐标系下,参照人体头颅CT图像建立均质化头颅参数的结构与八元环换能器构成该模型,利用高强度超声传播的非线性理论和时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)的数值仿真法,数值仿真计算不同时间和空间超声波非线性传播的声压,并结合Pennes生物热传导方程,在不同治疗条件下数值仿真HIFU治疗脑肿瘤,并对焦域位置进行调控和降低颅骨处温升以优化HIFU经颅治疗,仿真研究辐照因素对颅内形成焦域及其温度场分布的影响。而对于基于CT图像建立的人体头颅模型,在直角坐标系下采用64阵元换能器,在不同治疗条件下数值仿真HIFU治疗脑肿瘤过程中形成的温度场分布,将均质化头颅模型中分析讨论的相控方法应用在该模型中,进而分析辐照因素对颅内形成焦域及其温度场分布的影响。研究结果一、均质化头颅参数模型的数值仿真:1、采用时间反转法后形成的焦点位置与设定80mm的焦距仅相差0.4mm;2、采用热点消除法后颅骨处最高温升仅为2.4℃,达到了降低颅骨温升的目的;3、在辐照时间相同的条件下,当形成一定焦域体积时进行热点消除后的经颅HIFU治疗所需要的输入能量要大于无颅骨治疗时的输入能量;4、经过热点消除后,不同输入声强开始形成焦域所需要的时间不同,输入声强越大所需时间越短,且焦域体积随辐照时间的延长而非线性增加;输入声强越大,焦域体积随时间的增长率越大;5、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;声强越小,达到相同大小的焦域体积所需要的辐照时间越长;6、在治疗深度为20mm的条件下,当换能器与颅骨之间距离不同时,形成的焦域体积随辐照时间变化率不同。二、人体头颅模型的数值仿真:1、采用时间反转法后形成的焦点位置与设定80mm的焦距仅相差0.75mm;2、采用热点消除法后颅骨处最高温升仅为9.7℃,达到了降低颅骨温升的目的;3、当输入声强一定时,颅骨温升以及焦点温升均随辐照时间延长呈非线性增加,并且经过热点消除后的焦点温升略有升高,在进行热点消除时对实际焦点处的温升随时间变化趋势影响不大;4、随着治疗深度由深到浅,采用时间反转相控聚焦法形成的焦域逐渐减小,而当热点消除后形成的焦域也随治疗深度的变浅而体积逐渐减小,当治疗深度为20mm时未形成焦域,因此根据肿瘤靶区位置不同,需要消除热点的案例也不同,形成的焦域体积随治疗深度也不同;5、当设定治疗深度一定为25mm时,换能器与颅骨之间距离不同时,经过热点消除后,能够形成焦域体积最大时的颅骨位置发生了改变,因此在制定治疗临床计划时,需要进行数值仿真计算来预测能够形成最大的焦域体积以选择最佳的治疗位置。综合上述仿真结果,得到如下结论:1、时间反转法可以调控经颅HIFU的焦域位置,使其位置能够到达目标靶区;2、在治疗肿瘤位于浅表组织位置时,利用热点消除法可降低颅骨的温升,同时焦点处的温升略有降低,且对焦点影响不大;3、HIFU经颅治疗所需的能量大于HIFU不经颅骨的治疗;4、在相同焦域体积条件下,辐照时间与辐照声强呈负相关;5、HIFU经颅治疗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;6、换能器与颅骨间的距离对焦域的形状、大小均有影响。