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超声作为一种能将能量传递到需要治疗的组织区域的载体受到了越来越广泛的关注并已有多种应用超声的治疗方法被提出,部分方法得到了广泛的应用,如B超、热疗法和高强度聚焦超声等。近年来高强度聚焦超声(HIFU)受关注程度日益增长,有较广阔的应用前景。HIFU作为一种无创性外科技术,能够有选择性地定向产生高热效应破坏靶组织短时间内杀伤病变组织而不影响周围组织,这就必须对高强聚焦超声换能器的声场和温度场的分布有准确的了解。
本文重点研究了生物组织参数随温度的变化、双层组织的温度场和肋骨后组织中的温度分布。论文主要内容包括:(1)采用透射法研究了声参量随温度的变化,生物组织温度从20摄氏度加热到70摄氏度,温度跨度大致与实际HIFU应用中温度相当。通过实验发现:猪肾和脂肪组织中声速与温度呈近似线性关系;两种样品的声衰减系数随温度的变化而有所变化。(2)采用有限差分的离散方法求解Pennes方程,从而得到了超声作为热源的情况下双层生物组织中的温度场。通过实验验证,说明了这种方法能较为准确的计算出超声热源情况下双层组织中的温升分布情况。本文亦讨论了各个参数对双层组织温度的影响,特别是对焦点的温度和焦点位置的影响,这也是实际超声热疗中最为关心的问题。对于焦点而言其中初始声压和热传导率对焦点温升的影响较大,热容对焦点温升的影响较小,热传导率对焦点的位置有较大的影响。(3)从理论和实验两方面研究了肋骨对聚焦超声在肝组织中引起的温度提升的影响。理论上采用Pennes方程计算出肋骨后组织中的温升分布,并通过实验测得在有、无肋骨的情况下肝组织中温升最大点的温升过程证明了方法的有效性。通过讨论发现在我们所设定的情况下温升最大点的位置和温度主要是由换能器到肋骨的距离决定的,受肋骨间距离的影响也很大,温升最大点的位置将随着间隙的变大向后移动且能升到更高的温度,但对肋骨的宽度却并不敏感,没有明显的影响。
本文通过实验验证了理论计算多层组织和肋骨后组织在聚焦超声辐照下引起的温度提升,本工作将为临床治疗达到更好的效果提供理论指导。