高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)是近年来兴起的一种无创或者微创性局部高温治疗肿瘤的新技术,已应用于临床治疗实体行肿瘤。但由于治疗过程中温度的实时监控、剂量问题尚未解决,在临床治疗过程中可能出现肿瘤组织残存或者过度治疗等问题,其安全性和可靠性无法保障,严重限制了 HIFU在临床应用中的推广。研究目的以离体肝组织为例,通过离体组织实验与数值仿真对比验证数值仿真方法,利用验证后的数值仿真方法,以肝肿瘤为例数值仿真研究HIFU形成焦域的温度场分布,对不同输入时可治疗焦域的变化情况及同一大小可治疗焦域所需输入能量进行数值仿真研究。其研究结果可为临床HIFU肝肿瘤治疗剂量及其治疗方案的制定提供理论参考数据和理论依据。研究方法采用森田长吉等人根据Westervelt方程式提出的高强度聚焦超声波非线性传播近似式,数值计算不同时间和空间的声压和质子速度,并结合Pennes生物热传导方程,通过时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain,FDTD)数值仿真计算HIFU形成的温度场,并将60 ℃区域作为可治疗焦域(treatable focal region,TFR)计算其体积,并与离体组织实验进行对比验证仿真方法。在此基础上,建立肝肿瘤仿真模型,数值仿真辐照时间、辐照声强以及换能器与组织间的距离对可治疗焦域体积的影响,并对肿瘤组织内可治疗焦域形状在辐照阶段及冷却阶段的变化,以及肿瘤组织内温度阈值与热剂量阈值判定损伤大小的差异进行探讨。研究结果1.离体牛肝实验得到的损伤体积与数值仿真60 ℃以上区域体积非常接近,误差不超过10%。2.在考虑肝组织声学特性随温度变化的条件下,相同辐照声强下肿瘤内形成可治疗焦域的时间比正常肝组织内要短;相同辐照条件下,肿瘤内可治疗焦域体积明显大于正常肝组织内可治疗区域体积。3.在辐照声强相同的条件下,肿瘤组织内形成的可治疗焦域体积随辐照时间增长而非线性增加。4.在辐照时间一定的条件下,肿瘤组织内形成的可治疗焦域体积随声强增大而非线性增大;5.相同的可治疗焦域体积条件,辐照声强和辐照时间呈负相关;6.当组织内最高温度为90±1℃时,可治疗焦域体积随着辐照声强增大而减小,且肿瘤内焦域体积大于正常肝组织内焦域体积。7.当辐照条件相同时,换能器与离体组织间距离越小,目标组织温升越慢,相应的形成可治疗焦域体积增长速度也越慢。8.在辐照阶段,肿瘤内可治疗焦域长轴和短轴均随辐照时间增长而增长,长轴变化速度更快;当辐照停止后,在冷却阶段可治疗焦域长轴几乎没有变化,短轴略有增长。9.辐照声强0.6～1.5 W/cm2的条件下,用温度阈值判定的可治疗区域比用热剂量阈值判定的可治疗区域小,这种差别随着辐照声强的增大而减小。结论1.通过实验验证,温度阈值法60 ℃可以预测与实际实验小于10%误差的损伤体积。2.与正常肝组织相比,肝肿瘤内更容易形成损伤。3.在相同损伤体积条件下,辐照时间与辐照声强呈负相关。4.换能器与组织间的距离对可治疗焦域有影响。5.辐照停止后,可治疗焦域形状略有变化。6.对于不同治疗声强度,温度阈值判定的可治疗区域比用热剂量阈值判定的可治疗区域小,且二者差别随着辐照声强的增大而减小。