经颅脑肿瘤HIFU治疗温度场的研究

The key to HIFU treatment is temperature control of the focal region. Thus, the research contents of the project include: (1) Establishing a trans-bone HIFU treatment model based on CT scan data of fresh in vitro sheep scapula. Using a HIFU nonlinear FDTD simulation, and by comparing the sound pressure field simulations and experiments and with further confirmation and modification using in vivo sheep experimentation, we set up a trans-bone focusing phase compensation method. (2) Based on the 3D craniofacial model established by human CT scan data, we investigate the transcranial phase compensation method in which the phase control parameters corresponds to the cranial structure and the tissue acoustic properties. (3) We screen a 64-element transducer model using the phased array parameter screening method created by the applicant. Then, using the screened 64-element transducer model and the cranial models, we created a 3D numerical model for the HIFU transcranial treatment of tumors. (4) Using the phase compensation method established in(2) and the model established in (3), a nonlinear simulation study showed a temperature distribution during the treatment of brain tumors under different control parameters and therapeutic doses. We analyze and discuss the position, shape, and size of the therapeutic target area and the possible harms to extracranial soft tissue and surrounding tissue of the treatment focal region under the temperature distribution. Finally, we explore the theoretical approach for the provision of a personalized HIFU treatment plan, and a pre-assessment and control plan for the treatment region for every brain tumor patient.

HIFU治疗的关键是治疗焦域的温度控制，据此本项目的研究内容为：(1)基于新鲜离体羊肩胛骨CT数据建立经骨HIFU治疗模型，应用HIFU非线性FDTD法仿真，通过声压场仿真与经肩胛骨声压场的实验对比、活体羊实验验证和修正，建立经骨聚焦的相位补偿法；(2)利用人体头部CT数据建立3D颅骨模型，研究HIFU经颅聚焦相控参数与颅结构、组织声学特性相对应的相位补偿法；(3)利用申请者创建的相控换能器参数筛选法，筛选64阵元换能器模型，利用该换能器模型和颅骨模型，建立经颅脑肿瘤HIFU治疗3D数值模型；(4)利用(2)建立相位补偿法和(3)建立的模型，非线性仿真研究不同相控参数在不同治疗剂量下形成的温度场分布，分析讨论这些温度分布条件下的可治疗靶区位置、形状、大小和可能对治疗焦域周边及颅外软组织的伤害；为每位脑肿瘤患者个性化HIFU治疗计划制定、HIFU脑肿瘤可治疗焦域预评估、控制，提供理论方法。

利用单阵元换能器进行了HIFU水体、经羊肩胛骨和人体离体颅骨实验，研究了骨骼对HIFU聚焦的影响；利用申请者设计的相控换能器模型数值仿真筛选了64阵元和82阵元相控换能器的参数；利用人体头颅CT数据研究了基于人体头颅CT数据的头颅声学参数获取方法和3D重建，将人体头颅3D重建数据与相控换能器相结合建立数值仿真模型；基于时间反转法及颅骨的声学参数、结构参数和相控换能器的参数研究了阵元激励信号的获取方法，提出了数值拟合相位补偿法、互相关相位补偿法，在此基层上，提出了消减颅骨处高温热点的热点消减法、幅值调制方法、焦域体积补偿法和驻波消减法等，并将这些提出的方法相结合进行了研究。研究结果表明：（1）HIFU水体声场测量实验结果和数值仿真结果基本相一致；超声经羊肩胛骨聚焦后形成的声压与水中相比大幅下降且形成焦域较小，但在穿越人体颅骨时由于辐照条件限制在仿组织体模内无焦域形成；（2）64阵元相控换能器环距为7mm、阵元直径为8mm；82阵元相控换能器选用阵元直径8mm、四个象限阵元数分别为21、21、20、20和阵元中心间距不小于8.7mm的随机分布，且这两种换能器均可实现三维控制的单焦域和多焦域聚焦；（3）数值拟合相位补偿法和互相关相位补偿法均可实现在设定焦点处聚焦，但经颅聚焦后在颅骨内存在温度较高的热点；（4）拟合相位补偿法或互相关相位补偿法与热点消减法相结合均可降低颅骨热点峰值声压、降低骨焦比和温升；（5）相位补偿法、热点消减法和幅值调制相结合法可在降低颅骨处温度的前提下提高焦点处最大声压和最高温度；（6）HIFU经颅聚焦时的非线性特性具有明显影响；（7）通过补偿声强可使离轴形成的治疗体积与轴上的体积相一致；（8）驻波消减法可提高焦域中心温升，且相位转换频率为阵元激励频率的30%时驻波消减效果最佳；（9）HIFU在脑组织和脑肿瘤组织内形成的焦域几乎一致，焦点处温升有差异，肿瘤坏死组织对HIFU聚焦形成温度场分布略有影响。