研究背景:高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)作为一种新兴的非侵入性治疗技术,其原理为通过一定的聚焦方式将体外低能量的超声波束聚焦到体内形成具有一定大小的高能量焦点,借助热效应、空化效应和机械效应使焦域组织温度瞬间升高至65℃以上,焦点产生不可逆性凝固性坏死且不损伤周围正常组织。目前HIFU已经应用于乳腺癌、肝癌、胰腺癌、子宫肌瘤和肾脏肿瘤等各类良恶性实体肿瘤的临床治疗,展示了较高的安全性和有效性[1-3]。利用HIFU进行消融治疗,在保证安全性的前提下,可达到较好的消融效果,但临床治疗目前主要依赖于医生的经验投放辐照剂量[4]。因此,HIFU治疗过程中剂量投放仍然是一个待解决的关键科学问题。声传播与生物传热模型是建立HIFU治疗剂量系统的重要组成部分。仍然需要进一步深入研究。本研究着眼于HIFU临床剂量投放预测的科学问题,通过对聚焦超声焦域处的瞬态声传播以及生物传热相关机制进行探索性研究,以期对声场进行优化为临床治疗选择合适张角换能器提供指导,优化HIFU辐照过程中的声传播和生物传热模型,为临床治疗剂量预测系统建立提供参考依据。目的1.开展聚焦超声焦域处瞬态声传播的可视化研究,探讨不同张角球腔换能器的声传播特性,为换能器的张角优化设计提供参考依据。2.考虑HIFU辐照过程中组织传热的热波效应、组织声学特性(声速、声衰减)随温升的变化,比较分析相同辐照剂量下靶区组织中的温升变化与理论模拟,优化HIFU治疗的声传播与生物传热模型。方法1.本文研究了不同发射面张角的HIFU换能器焦域处的声传播。发射面张角分别为360°、180°、150°、120°、90°,焦距115mm的664.2KHz HIFU换能器在相同的激励电压下通过COMSOL物理仿真其稳态和瞬态声场分布,基于Schlieren纹影法拍摄聚焦超声焦域处的声传播。通过实时拍摄及仿真分析了行波聚焦过程中声场的分布及其声焦域大小变化情况。2.本文基于有限热传播速度的概念修正传统Pennes生物传热方程,建立了HIFU辐照中考虑热弛豫贡献的生物传热热波(Twmbt,Thermal wave model of bio-heat transfer)模型;进一步研究了组织中声传播的热声透镜效应,辐照过程中当温度高于45℃时,组织特性开始逐渐发生改变,建立辐照过程中组织声速、声衰减随温度变化的声场—温度场耦合模型进行理论模拟;同时探讨了声轴上随温度变化的网格设置对声场、温度场的影响。3.针对HIFU辐照过程中的组织传热,本文研究了HIFU定点辐照新鲜离体牛肝组织时,不同辐照参数(1039.95W/cm2×267s,1386.6W/cm2×200s)相同辐照剂量下的组织焦域处温升。采用B超监控强回声信号,PCD探头采集声散射信号进行被动空化检测以确保HIFU辐照离体牛肝组织温升变化的作用机制是单纯热效应。通过理论与实验对比分析,对生物传热模型进行进一步修正。结果1.随着换能器张角的增大,轴向-6dB焦域面积减小,焦域形状由椭圆形逐渐变为圆形。张角为360°时,-6dB声焦域面积最小,呈“圆形”;张角为90°时,-6dB声焦域面积最大,呈“椭圆形”。随着张角的增大(90°、120°、150°、180°、360°):(1)水听器声场扫描的-6dB声焦域长轴分别为2.39λ、2.02λ、1.58λ、λ、0.53λ,对应线性声场仿真结果2.37λ、2.16λ、1.63λ、1.15λ、0.55λ;(2)-6dB声焦域的短轴分别为0.85λ、0.71λ、0.59λ、0.55λ、0.52λ,对应线性声场仿真结果0.9λ、0.72λ、0.62λ、0.56λ、0.51λ;(3)-6dB声焦域面积分别为3.47λ2、2.49λ2、1.61λ2、0.95λ2、0.48λ2,对应线性声场仿真结果3.69λ2、2.69λ2、1.77λ2、1.1λ2、0.49λ2.水听器扫描实验结果与Comsol稳态声场分布仿真计算结果吻合良好,长轴、短轴及-6dB轴向声焦域面积相关系数分别为0.995、0.992、0.999,均达到0.99以上。2.随着开口角度增大,-6dB声学焦域处声传播过程中超声径向聚焦宽度降低越快,聚焦能力愈强;开口角度一定时,超声汇聚到达-6dB焦域位置,声波径向宽度基本保持不变,类似于平面波向前传播。发射面张角越大,径向宽度越小。-6dB径向声波传播过程中,焦点位置宽度最窄,且随着开口角度的变化,焦点位置发生毫米量级的偏移,在120°～150°之间较明显。3.在单纯热损伤情况下,HIFU辐照离体牛肝组织,相同的辐照剂量下,随着辐照声强的增加,温度上升速率越快。采用Pennes生物传热方程理论模拟HIFU定点辐照(辐照参数为1039.95W/cm2×267s和1386.6W/cm2×200s)新鲜离体牛肝组织时,辐照初始阶段(1039.95W/c m2×267s的0～48s,1386.6W/cm2×200s的0～57s)的焦点温升明显高于实验测得温升;采用TWMBT模型模拟的焦点温升在辐照初始阶段与实验吻合良好,但辐照中最大温升(1039.95W/cm2×267s为27℃,1386.6W/cm2×200s为36.5℃)较实验测量结果(1039.95W/cm2×267s为32.5℃,1386.6W/cm2×200s为41.5℃)低;采用考虑热声透镜效应和T WMBT模型模拟的焦点温升(1039.95W/cm2×267s为32℃,1386.6W/cm2×200s为42℃)在整个HIFU辐照过程中,计算的结果与实验结果吻合,能够较好的预测实验结果。结论1.开口角度一定时,超声传播汇聚到达-6dB焦域位置,声波径向宽度基本保持不变,类似于平面波向前传播;驱动功率一定时,随着开口角度的增加,-6dB声学焦域范围逐渐减小,能量分布越集中,聚焦能力越强;形状逐渐以“椭圆形”向“圆形”变换;实验与声传播仿真结果相关系数均达0.99以上。2.HIFU辐照能量一定时,随着声强的增加,焦域组织温度上升速度越快;在单纯热损伤条件下,相比传统Pennes生物传热方程,综合考虑生物组织声学特性随温度变化、热波效应、声轴方向网格设置等因素,经过修正后考虑组织声学特性变化的Twmbt生物传热模型可更好地对HIFU辐照实验温升结果进行预测,可用于下一步HIFU治疗剂量预测系统的建立。