基于电阻抗分布的高强度聚焦超声疗效监测和剂量控制研究

作     者：宿慧丹 

作者单位：南京师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马青玉

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：HIFU治疗 相对电阻抗变化 电导率重建 疗效评估 剂量控制 

摘      要：高强度聚焦超声(HIFU)是一种非侵入性、对正常组织无损伤且不易引起癌细胞转移的肿瘤治疗手段,对其治疗过程中的疗效以及肿瘤周围正常组织破坏情况的监测是实现HIFU治疗剂量精准控制的关键。本文首先从HIFU局部组织加热出发,分析了 HIFU治疗中组织模型处的声场以及温度场分布,并基于温度-电阻抗关系建立了 HIFU治疗和电阻抗测量模型,数值模拟了 HIFU焦域处的声场、温度场和电导率分布,并通过电势和电流密度分布的变化来计算模型的电阻抗变化特性。结果表明HIFU声功率一定时,组织电阻抗相对变化和治疗时间呈线性关系,其电阻抗相对变化率和HIFU声功率也呈线性关系;在达到HIFU治疗疗效时(焦域径向±0.4 mm和轴向±2 mm区域达到70 ℃),模型电阻抗相对变化和HIFU声功率呈现反比关系,而所需的治疗时间和声功率的平方呈现反比关系。建立了和仿真条件相同的HIFU治疗和电阻抗实时测量的实验系统,实验结果和理论仿真结果高度一致。最后针对结论的普适性,分析了换能器结构参数对测量结果的影响,证明对于不同类型的换能器,除了相关系数的变化,所提出的电阻抗相对变化的规律仍然有效。针对提出的基于电阻抗相对变化的HIFU温度监测方法是测量治疗过程中的综合效应,存在定位不准的问题,结合EIT技术,提出了一种基于组织模型表面电势分布的HIFU焦域的电阻抗重建方法。搭建了 HIFU焦域二维径向焦平面处的电阻抗重建模型,对比了在同一治疗声功率下不同治疗时刻的电阻抗重建情况,分析了焦域偏心对电阻抗重建的影响。结果表明基于EIT的HIFU焦域电阻抗重建不仅可以精确定位焦点位置以及焦域范围和内部的电阻抗变化趋势,而且还能反映出随着治疗时间的焦域电阻抗变化,进而反映出焦域处的温度分布变化,完善了基于电阻抗变化的组织模型焦域温度无创测温理论。本研究将HIFU焦域处的电阻抗相对变化与电阻抗重建结合,提出了一种基于电阻抗分布的HIFU焦域无损测温方法,可以实现HIFU热疗中的快速、实时、定位精确的无创温度测量以及准确的疗效监测和剂量控制,对实现HIFU治疗的精确控制有着积极的意义,为后续的理论研究和临床应用提供了新的思路和研究方向。