基于电阻抗层析成像的高强度聚焦超声温度监测技术

作为一种对正常组织无损伤且不易引起癌细胞转移的非入侵肿瘤治疗手段,高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中焦域的温度监测是实现剂量精准控制的关键.本文基于生物组织的温度-电阻抗的关系,将电阻抗层析成像(EIT)和HIFU治疗相结合,提出了一种利用组织焦平面的表面电压实现电阻抗重构的检测技术.建立了HIFU治疗和EIT综合系统模型,在考虑组织的声吸收条件下,对三维Helmholtz方程在柱坐标下的声场计算进行了二维简化,并引入Pennes生物热传导方程来计算HIFU焦域的声压和温升分布特性;引入生物组织的温度-电阻抗关系,基于麦克斯韦电磁场理论,建立了具有温度分布HIFU焦域的电流和电压计算模型,利用恒流注入的边界条件实现电场计算,获得焦平面的表面电压分布.在数值计算中,利用实验聚焦换能器参数,模拟了在固定声功率下组织焦域的声场和温度场分布,以及中心和偏心聚焦条件下不同治疗时刻的电导率分布;然后通过对称电极的循环电流注入,计算了组织模型焦平面内的电流密度和电势分布,获得了焦平面圆周分布的表面电极电压;进一步采用修正的牛顿-拉夫逊算法,利用32×32的表面电极电压实现了焦平面内电导率分布的重建.结果表明,基于温度-电阻抗关系的EIT电导率重建技术不但能准确定位HIFU焦域中心,还能恢复HIFU治疗中焦域的温度分布,证明了EIT用于HIFU治疗中温度监测的可行性,为其疗效评估和剂量控制提供了一种无创电阻抗测量和成像新方法.     

从临床角度浅谈体外高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的研制

本文从临床角度探讨在体外高强度聚焦超声（HIFU）治疗机的研发中应该关注的问题，指出重视HIFU的生物学效应研究、充分理解HIFU治疗肿瘤的临床意义对HIFU治疗机的研发具有的指导价值，提出了HIFU治疗机主要部件性能的临床要点，以及开发专用治疗机等构想，强调医工结合在HIFU治疗机开发中的重要性。     

基于分数导数研究高强度聚焦超声的非线性声场

在高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU) 的研究中, 生物组织的衰减和色散性质会对声能量的空间分布产生影响. 本文提出应用分数导数修正非线性Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程, 研究生物组织中非线性HIFU声场. 对三种生物仿体的衰减和声速色散的理论实验研究表明分数导数应用的可行性, 在此基础上通过数值仿真分析研究了衰减及声速随频率的变化对HIFU焦域分布的影响. 研究结果表明, 在计算强非线性聚焦超声时, 由于高次谐波的强色散作用, 引入分数导数来解决生物组织特殊的衰减以及色散问题可进一步提高HIFU治疗的安全性. 关键词： 分数导数 声衰减 色散 高强度聚焦超声     

相控阵高强度聚焦超声的研究进展

相控阵高强度聚焦超声(high Intensity focused ultrasound,HIFU)技术可以通过电子调相自由控制聚焦区域中焦点的形状、位置、个数等,实现高精度、高效率的治疗。文章主要介绍了相控聚焦超声的原理、阵型设计、声场优化、控制算法、电路设计以及换能器材料等几个方面。     

高强度聚焦超声(HIFU)——一门多学科的研究课题

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,简称HIFU)已作为一种无创外科工具而应用于门诊治疗肿瘤。文章介绍了它的基本原理、有关的研究现状和存在的问题,以及对今后研究工作的建议。文章特别强调高强度聚焦超声是一门多学科的综合研究课题,需要各方面的科学工作者通力协作。     

高强度聚焦超声经颅脑肿瘤治疗焦域的仿真研究*

为了研究脑组织和脑肿瘤组织在HIFU治疗时形成焦域的特性及坏死肿瘤组织、不同治疗剂量参数以及多次治疗时焦点间距和时间间隔对HIFU形成焦域的影响,本文以脑胶质瘤患者为例,利用患者头颅CT图像数据建立HIFU经颅治疗的仿真模型,基于Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程进行HIFU经颅治疗的仿真研究。结果表明,脑组织和脑肿瘤组织内形成HIFU焦域的差异较小,坏死肿瘤组织对HIFU温度场分布有较小影响;辐照声强越大,焦点温升达到同一温度所用时间越短,焦域长短轴越短,颅骨处温升越低;当焦点间距在一定范围内时,第一次辐照形成的温度场分布对第二个焦点温升达到同一温度所需时间影响较大;两次辐照时间间隔对颅骨处温升和两次聚焦形成60?C以上温度分布影响较小。     

基于换能器驱动信号特征的高强度聚焦超声焦域损伤实时监测

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)焦域的实时监测是聚焦超声临床治疗面临的关键问题,目前临床常采用B超图像强回声的变化实现焦域组织损伤的监测,而B超图像出现的强回声大多与焦域处的空化及沸腾气泡相关,无法准确、实时地监测治疗状态.HIFU治疗中焦域组织会伴随温度升高、空化、沸腾和组织特性等变化,换能器表面的声学负载也在不断变化,针对该问题,本文构建了换能器电压电流实时检测平台,通过测量换能器电学参数来感知焦域组织的状态变化.以离体牛肝组织作为HIFU辐照对象,并将相位差变化的结果与离体牛肝组织损伤的结果进行了对照,实验结果表明,在HIFU辐照过程中,换能器电压与电流的相位会出现由相对平稳到大幅波动的过程,此时停止辐照可见焦域出现明显损伤,而此时B超图像灰度无明显变化;此外,当焦域出现空化时,其波动幅度与范围将较之更大.此方法可为HIFU焦域组织损伤监测提供一种新的研究方案和手段.     

组织凝固性坏死对基于纵向弛豫时间的磁共振测温的影响

高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治疗肿瘤时，为了保证治疗的安全性和有效性，需要对组织温度分布进行实时监测.磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）具有对温度敏感的成像参数，可以无创检测组织温度.本文结合组织相变对测温的影响，探讨了磁共振测温（Magnetic Resonance Thermometry，MRT）技术能否用于实时监控HIFU治疗.利用两态快速交换模型，提出在组织凝固性坏死的相变前后，MRI的纵向弛豫时间（T₁）参数与组织温度之间具有不同关系.并通过实验验证了上述假设.相对于传统的磁共振测温方法模型，本文考虑了HIFU治疗过程中组织相变对检测温度的影响，对利用磁共振测温引导HIFU治疗具有重要的参考价值.     

高强度聚焦超声螺旋扫描形成的组织损伤研究

为满足高强度聚焦超声(HIFU)治疗对组织损伤均匀性和高效性的需求,理论及实验研究了连续扫描模式下HIFU沿螺旋扫描路径形成的组织损伤。基于Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov方程和生物传热方程建立了声热耦合模型,数值模拟了螺旋路径栅格距离为3 mm和4 mm时不同扫描速度下HIFU辐照体模的温度场和组织损伤分布,并采用凝胶体模进行了实验验证。结果表明,采用连续螺旋模式可以使热扩散均匀化,产生分布均匀的热损伤;选择适当的栅格距离和扫描速度,发挥螺旋路径内外圈热扩散的相互影响,可以产生大范围的整体性的热损伤,同时提高治疗效率。本文工作对优化HIFU治疗效果具有指导意义。     

高强聚焦超声(HIFU)无创外科

本文从简要回顾超声治疗的发展历史开始,重点介绍了90年代初在国际上兴起的HIFU无创外科技术及我国在该领域中的成就.文章继而对HIFU“切除”肿瘤的机理,治疗质量及其及发展前景做了讨论。