高强度聚焦超声治疗中磁感应磁声无创测温与成像研究

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) can be used for tumor treatment with the acoustic induced hyperthermia and tissue temperature monitoring is the key topic for thermal lesion evaluation in practical application. Combing the good image resolution of sonography and high image contrast of electrical impedance tomography, this project plans to conduct theoretical and experimental studies for noninvasive magnetoacoustic temperature monitoring and imaging with magnetic induction based on the electrical impedance variation of tissues during HIFU therapy. Based on the KZK and Pennes Equations, the acoustic and temperature fields of HIFU will be studied to obtain the electrical impedance distribution of the focal region, and the noninvasive temperature measurement technology will be proposed with the physical mechanism of magnetoacoustic excitation and acoustic transmission. Meanwhile, the variation characteristics of the collected magnetoacoustic signals in HIFU therapy will be investigated to explore the approach of critical temperature detection for tissue denaturation.In addition, based on the acoustic dipole radiation theory, the electrical impedance tomographic image will be reconstructed with the magnetoacoustic pressure normal vector of the conductivity boundaries for HIFU lesion evaluation. A noninvasive real-time magnetoacoustic monitoring approach with high precision will be established for HIFU therapy.

高强度聚焦超声(HIFU)利用声热效应产生的局部高温使组织热凝固性坏死来治疗肿瘤，而组织温度监测和热损伤评价是其应用的关键。本项目结合超声成像高分辨率和组织电阻抗成像高对比度的优点，基于组织热损伤的电阻抗变化，拟从理论和实验两方面进行磁感应磁声无创测温和成像研究。从KZK和Pennes方程出发，研究HIFU的声场和温度场特性以及HIFU焦域组织电阻抗梯度分布模型，探索HIFU治疗中磁感应磁声激发和传播的物理机制，建立基于电阻抗差异的磁感应磁声无创测温新方法；研究磁声声压和组织温度的关系，探索HIFU治疗组织热损伤过程中的磁声变化，建立组织热凝固变性临界温度的检测方法；通过磁声偶极辐射理论，基于组织边界法向磁声声压研究生物组织电阻抗层析成像算法，实现HIFU治疗中组织热损伤层析图像的重建和疗效评价。本项目为高强度聚焦超声治疗提供一种高精度的磁感应磁声实时无损监测新技术。

在国家自然科学基金的资助下，我们按计划进行了高强度聚焦超声治疗中磁感应磁声无创测温与成像研究，开展的工作包括：(1) 建立了基于声偶极辐射的磁感应磁声激发、传播和检测的理论模型，提出了一种等效声源和层效应的三维磁声分析方法；同时考虑换能器指向性和带宽的影响，对具有不同电阻抗分布特性的组织模型进行了磁声声压分析和磁声检测优化，提出了组织边界法向声压的提取方法和电阻抗层析成像重建算法；(2) 基于生物组织的温度-电阻抗关系，建立了HIFU治疗中组织焦域的电阻抗缓变分布模型，研究了磁声声压随着电阻抗变化的规律，建立了基于电阻抗差异的磁声无创测温和疗效监测方法；(3) 基于KZK和Pennes方程，研究了HIFU治疗中组织焦域的声场和温度场以及电导率分布，利用组织内部的电势和电流密度的变化来获得模型电阻抗变化，提出了基于模型电阻抗变化的声功率测量技术，与HIFU治疗中组织焦域的无创疗效监测和剂量控制方法；(4) 结合超声相控技术，提出了稀疏环形声源阵列的可控声涡旋形成方法，分析了声源参数对声涡旋特性的影响，研究了线性相位声涡旋的特性和形成技术，优化了声涡旋系统的设计；进一步研究了声涡旋轨道角动量的传输特性，并结合声辐射力研究了声涡旋力矩对物体的操控能力；(5) 结合超声微泡和超声空化，研究了功率超声增强组织工程支架材料通透性的物理机制及超声定征技术，并利用多种现代测量技术进行了支架材料物理形态和降解特性的测量，促进材料的实际应用。此外，项目还利用相控声源阵列建立了三维可控声涡旋的理论模型和初步实验系统，正在开展小物体的三维操控技术及其在生物医学中的应用研究。.在本项目的支持下，共发表SCI论文17篇，EI论文3篇，申请发明专利1项，授权专利3项，出版专著1本。共有2名博士及12名硕士研究生从事该方向的研究，其中8名已毕业获硕士学位。共邀请来自美国、新加坡、香港、台湾等高校的专家学者来华访问共6人次，课题组成员参加国际学术会议6人次，国内学术会议18人次。