高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)技术已被应用于临床治疗实体性肝肿瘤、子宫肌瘤等,因其具有的非侵入性和可重复治疗性被引入经颅脑肿瘤治疗和经颅药物传递等。由于颅内靶区被颅骨包围,颅骨与脑组织的声学参数存在巨大差异,使经颅传播的声波发生相位和幅值畸变,导致经颅骨声波偏离设定焦点聚焦、对颅骨及周边组织可能造成热损伤等问题的发生。研究精确有效的经颅聚焦方法和降低对颅骨及周边组织热损伤的方法非常必要。研究目的由于HIFU经非均质颅骨传播时发生相位失真、幅值畸变导致经颅HIFU声波在颅内设定焦点处不能聚焦,对颅骨及其周边组织造成热损伤。本文通过对相控换能器阵元激励信号相位、幅值及消除颅骨内高声压的信号相位和幅值的调控,调控经颅聚焦形成的声场及温度场,实现颅骨及周边组织无伤的HIFU经颅内高效精确聚焦,为经颅HIFU应用于临床治疗提供理论参考。研究方法本研究以人体头颅CT扫描数据的重建图像为基础,结合小开口64阵元球冠状相控换能器,建立三维HIFU经颅数值仿真模型,以时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)数值解析Westervelt非线性声波传播方程和Pennes生物热传导方程,分析HIFU经颅后形成的声场及温度场分布。应用基于时间反转的相位和幅值调制法获得相控换能器阵元的激励信号,根据这些激励信号形成的声场及温度场,分析与讨论不同阵元激励信号对其形成声场及温度场的影响及调控作用;利用温度阈值和热剂量法分析对正常组织可能存在的伤害和靶区内形成的治疗焦域体积;在对正常组织无伤害的前提下分析相控换能器可实现的调控区域,并对形成的可治疗焦域体积进行调控。研究结果1.调控换能器阵元激励信号对经颅声波进行相位校正聚焦时,形成焦点在设定位置处,但颅骨内可能存在高声压,颅骨处高声压与焦点声压比值(骨焦比)较大;再结合幅值校正后,焦点处声压较仅作相位校正时的声压有所升高,颅骨内声压略有降低,骨焦比略降低;采用相位校正结合降低颅骨内高声压后,骨焦比降低,颅骨内高声压降低,但焦点处声压也降低;采用相位及幅值校正结合降低颅骨内高声压调控法后,骨焦比和颅骨内高声压继续降低,焦点处声压相对于相位校正后的无变化。2.声轴上聚焦时,采用幅值校正后,焦点声压和可治疗焦域体积比不做幅值校正时均有增大。3.基于时间反转的数值拟合法与互相关法获得的调控阵元激励信号的相位信息,都可用于经颅声场的相位校正。4.对相控换能器不同环上阵元激励信号进行相位和幅值调制,以调制换能器外环阵元信号的幅值作用较佳,这种调节模式既可使焦点达到可治疗的温度,也可使颅骨与水的临界面温度降低。5.经颅声波的非线性导致焦点处的声压、温度和热量沉积均大于线性。6.经枕骨窗聚焦时,在聚焦深度为25 mm的条件下,沿垂直于换能器声轴的Y轴方向偏离距离小于等于5 mm的范围内可实现仅针对靶区组织且对非靶区组织不会造成伤害的聚焦,而不能在沿Z方向偏离声轴实现安全聚焦。7.经颅声波调控后聚焦形成的焦域体积随垂直偏离换能器声轴距离增大而减小;当偏离声轴距离一定时,焦域体积随输入声强增大而呈近似线性关系增大;调控换能器阵元的输入声强,可调控偏离换能器声轴聚焦时焦域体积的大小,使不同偏离距离下聚焦形成的焦域体积与在轴聚焦时体积相同。研究结论1.相控换能器阵元激励信号直接影响相控换能器经颅聚焦形成声压场和温度场,通过调制相控换能器阵元激励信号相位和幅值,可使经颅声波精确聚焦,提高焦点处最大声压和最高温度,增大在焦点处的经颅声能量聚积。2.通过叠加降低颅骨内高声压的激励信号,可使声波在颅骨内的能量沉积减小,避免声波对颅骨造成热损伤;也可针对换能器不同环阵元激励信号的幅值进行调控,尤其只对换能器外环阵元信号调控时,可使颅骨与水的临界面的温度降低。3.经颅声波的非线性影响聚焦形成的声压场和温度场,经颅HIFU治疗时需要考虑其非线性。4.当声窗一定时,存在声波经颅偏离换能器声轴安全聚焦的距离,且随垂直偏离声轴距离的增大,聚焦形成的体积减小,但可根据垂直偏离声轴的距离及声强的线性关系,调节换能器阵元的输入声强,使偏离声轴聚焦时形成的焦域体积与在轴聚焦时一致。本研究通过数值仿真方法,研究调控经颅声波聚焦形成温度场的方法,解决了经颅声波不能在设定焦点聚焦且对颅骨造成热损伤的问题,在完成颅内精确聚焦且不热损伤颅骨的同时,通过调控声波幅值的方法提升了焦点处的能量沉积,使声波能量更加集中于需治疗的焦域处。并通过调控声强的方法,提供补偿声强及偏离声轴聚焦的关系,对临床聚焦治疗剂量提供理论参考。