相变微液滴增强高强度聚焦超声肿瘤热消融的热物理问题研究

This research project aims to solve the major obstacle of long treatment time that limits the application of HIFU in clinical tumor therapy. Based on the advantage of ultrasound-induced phase shift droplets, which can be vaporized to bubbles only in the focal area and therefore confine heating enhancement effect in the treatment target, we propose to investigate the bio-heat mechanism of this physical process. The vaporization of the droplets and the heating enhancement effect of bubbles in the tumor treatment will be studied numerically and experimentally. Parameters like ultrasound threshold of droplets vaporization, the transfer of droplets/bubbles in the body will be studied experimentally to further investigate the generation and distribution of the enhanced heating source due to droplets in HIFU treatment, and the corresponding heat and mass transfer pattern. Then the numerical model that can describe the droplets transfer in the circulatory system, droplets vaporization to bubbles, and the acoustic field and temperature field variation during the treatment will be proposed. With this numerical model, the thermal lesion produced in the treatment can be predicted and optimized. New strategies will be raised from lowering heat convection and heat diffusion while increasing heat generation to further decrease the therapeutic time. And it will be validated by animal experiments. Success of the project will offer a new theoretical and analytical approach for development of a safer noninvasive HIFU treatment of tumor.

项目针对绿色无创的高强度聚焦超声（HIFU）临床肿瘤消融治疗过程中时间过长的医学难点问题，利用超声相变微液滴可仅在治疗靶区内形成气泡并大大增加高强度聚焦超声单点治疗范围这一优势，提出研究微液滴及其形成的气泡在超声的作用下增强肿瘤组织热消融的生物热物理机制，结合超声激发液滴的临界条件、微液滴/微泡在生物组织内传输规律的实验探索，深入分析该联合治疗过程的热源产生、分布以及相应的传热、传质规律；通过构建描述微液滴在生物组织内随着血液循环输送、在超声作用下被激发形成气泡动态过程，在该复杂条件下生物组织内声场传输、热量产生/传递过程并预测热损伤范围的多物理场理论模型，从锁定治疗靶区内超声能量和热能，降低热对流以及热扩散等多个角度，研究出经实验验证的新型快速聚焦超声热消融新方法和新策略, 为发展无创无安全隐患的HIFU肿瘤治疗方法提供理论依据与分析方法。

高强度聚焦超声作为一种绿色无创的物理治疗方式已广泛应用于多种肿瘤的临床治疗方案。针对目前治疗时间过长的问题，项目提出利用超声相变微液滴靶向递送治疗靶区并形成气泡以增加高强度聚焦超声单点治疗范围，针对微液滴及其形成的气泡在超声的作用下增强肿瘤组织热消融的生物热物理机制问题，探索了不同治疗参数组合下微泡团形状、大小、位置响应，结果提示热消融区域随微滴浓度增加由多点向泪滴形、三角形转变。研究结果发现通过使用脉冲波先激发微滴再使用连续波作用，可调控热消融区域形状、大小，并向超声换能器方向移动。项目通过将微泡尺寸、声压幅值、组织内气体浓度、气体溶解度的多因素复杂作用下微泡尺寸动态变化过程纳入考虑，在数值分析上探究了连续波加热过程中微泡整流扩散和沸腾对治疗区域的影响，矫正了远端热消融区域尺寸误差，并成功建立描述高强度聚焦超声热消融治疗过程中相变微滴形成微泡团和高强度聚焦超声声压场、温度场相互作用的复杂传热传质模型，可描述不同治疗参数组合、不同微滴浓度下热消融区域动态演变过程。同时项目成功设计搭建高强度聚焦超声组织破碎系统，并在3种凝胶、2种离体组织内发现机械损伤组织及均匀加热的有效参数策略。项目同时成功设计建立超声破碎悬浮肿瘤细胞免疫响应体外研究模型，以免疫荧光染色细胞为金标准固化有效超声破碎参数，探索了超声破碎及联合温热刺激下的肿瘤细胞破碎及免疫活性因子释放规律。本项目的研究为微液滴增强聚焦超声物理治疗提供了重要的理论基础和新的治疗策略，并为进一步发展新的无创免疫治疗方法提供了基础。 项目发表 SCI 论文3篇，1篇在投稿中，培养硕士研究生3名，博士研究生3名，出站博士后1名，获得授权中国发明专利3项，申请中国发明专利2项。