HIFU表面消融仿真模型的建立及實驗驗證.pdf

1、研究背景：
　　高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound, HIFU）是近年來快速發(fā)展的非侵入性治療腫瘤的新技術(shù)。在臨床上，HIFU治療肝癌、乳腺癌、胰腺癌、惡性骨腫瘤、子宮肌瘤等實體腫瘤已取得顯著療效。由于HIFU的焦域較小，臨床治療時采用“點(diǎn)-線-面-體”的組合方式逐點(diǎn)逐層給予能量，直至完全覆蓋整個腫瘤。這種傳統(tǒng)的完全治療模式，對小腫瘤具有很好的效果，但是當(dāng)治療體積較大的腫瘤時，完全掃

2、描治療模式就會使消融時間過長、所需能量增大且產(chǎn)生并發(fā)癥的風(fēng)險也明顯增高。因此，尋找更為有效的HIFU輻照方式來提高治療效率及減少并發(fā)癥是亟須解決和深入研究的問題。據(jù)此結(jié)合惡性腫瘤的生長特點(diǎn)，采取一種新的“表面消融模式”，只消融腫瘤的表面，腫瘤內(nèi)部不投放劑量，以期形成包裹靶區(qū)的完整封閉的凝固性壞死帶，造成其內(nèi)部缺血、缺氧性壞死，達(dá)到治療的目的。
　　表面消融模式是一種針對 HIFU治療大體積腫瘤提出來的新的輻照方式，目的是為了減少治

3、療時間和輻照劑量，以期形成更安全有效的HIFU無創(chuàng)消融技術(shù)。從理論上可知表面消融模式較傳統(tǒng)的完全消融模式具有優(yōu)越性，但對于不同體積大小的腫瘤，表面消融模式究竟可以減少多少治療時間和輻照劑量，目前并沒有進(jìn)行深入研究，同時對于某一體積大小的腫瘤，表面消融模式目前也沒有數(shù)學(xué)模型預(yù)估其治療時間和輻照劑量。故需建立HIFU表面消融仿真模型，通過理論模型定量的計算出此模式消融一定體積的腫瘤所需的輻照時間、吸收能量及累積能量，并通過離體牛肝實驗驗證其

4、模型準(zhǔn)確性，再與傳統(tǒng)完全消融模式相比較，探討表面消融這一新型模式的可行性及量效關(guān)系等，本課題針對HIFU表面消融模式進(jìn)行建模及相關(guān)研究，擬解決表面消融模式更為科學(xué)與規(guī)范的實施問題。
　　目的：
　　建立HIFU表面消融腫瘤的仿真模型，并通過離體牛肝實驗驗證和修正理論模型，探討HIFU表面消融模式超聲影像學(xué)的實時監(jiān)控方法。
　　材料和方法：
　?。?）HIFU表面消融腫瘤仿真模型的建立：HIFU消融仿真模型由超聲換

5、能器、水、牛肝組織構(gòu)成。模型靶區(qū)長42mm，寬30mm，高以8mm的間距增加、分別為16mm、24mm、32mm、40mm、48mm、56mm、64mm。通過模擬HIFU連續(xù)點(diǎn)打法掃描，表面消融模式由深至淺依次沿靶區(qū)周邊進(jìn)行掃描，完全消融模式則在同一深度依次逐層完全消融各層面。根據(jù)HIFU橢球體形狀的聲焦域，計算出單點(diǎn)輻照后的損傷體積，以KZK非線性聲波傳播方程和單位體積組織單位時間內(nèi)吸收能量公式為基礎(chǔ)，結(jié)合輻照時間與累積能量公式，對不

6、同體積模型兩種消融模式下的吸收能量、輻照時間及累積能量進(jìn)行計算，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與分析。
　　（2）離體牛肝實驗驗證和修正表面消融腫瘤理論模型：新鮮離體牛肝組織，切成約100mm×100mm×70mm大小的長方體塊，運(yùn)用JC200型聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)，先在深度為20mm、28mm、36mm、44mm處進(jìn)行單點(diǎn)輻照，輻照時間2s，輻照結(jié)束后沿凝固性壞死最大面剖開，測量壞死長徑a、短徑b，通過=4s ab?與2=6v ab?分別計算

7、其面積和體積。實驗結(jié)果與仿真模型計算出的牛肝壞死形態(tài)、大小進(jìn)行比較，并分析在不同深度處、不同聲強(qiáng)下點(diǎn)壞死范圍變化趨勢。再以點(diǎn)輻照時間2s，間隔時間10s，點(diǎn)間距3mm的組合參數(shù)，在不同深度處動態(tài)調(diào)節(jié)輻照聲強(qiáng)進(jìn)行HIFU表面消融實驗和完全消融實驗，消融大小為30 mm×42 mm×24 mm的離體牛肝。實驗后將其各層面的輻照時間、累積能量與仿真模型計算值進(jìn)行比較分析，對上述模型的吸收能量、輻照時間及累積能量計算公式進(jìn)行修正，再運(yùn)用修正后的

8、公式預(yù)測消融靶區(qū)大小為30 mm×42 mm×56 mm、30 mm×42 mm×64 mm的輻照時間、累積能量及吸收能量，并通過實驗驗證。
　?。?）HIFU表面消融模式超聲影像學(xué)的實時監(jiān)控：表面消融實驗完成后沿X軸方向以每隔1mm的距離采集超聲二維圖像，每塊牛肝共取31張超聲圖像，然后運(yùn)用三維虛擬導(dǎo)航系統(tǒng)軟件進(jìn)行測量分析并重建靶區(qū)。分析重建后靶區(qū)的強(qiáng)回聲封閉環(huán)是否完整以及強(qiáng)回聲區(qū)域的大小形態(tài)。測量表面消融模式損傷區(qū)域，計算出其

9、消融區(qū)域，并與病理測量的消融區(qū)域?qū)Ρ确治觥?br>　　結(jié)果
　　（1）仿真模型體積為30 mm×42 mm×24 mm，在深度為44mm、36mm、28mm、20mm處，對應(yīng)聲功率分別為350W~330W、300W~280W、260W~240W、220W~200W的情況下輻照靶區(qū)，表面消融模式與完全消融模式總輻照時間、單位體積組織總吸收能量及總累積能量分別為852s、306.2kW/cm2~278.3kW/cm2、241.9kJ~

10、224.8kJ和1320s、472.0kW/cm2~429.4kW/cm2、372.9kJ~346.5kJ。表面消融模式總輻照時間、單位體積總吸收能量和總累積能量均小于完全消融模式，分別減少約35.5％，35.1%和35.1%。隨著消融體積的增加，表面消融模式所需的總輻照時間、總吸收能量及總累積能量的降低越來越明顯，表明對于大體積腫瘤表面消融模式比完全消融模式更具有優(yōu)勢。
　?。?）在深度20mm、28mm、36mm、44mm處，

11、不同輻照功率，相同輻照時間下，HIFU單點(diǎn)輻照損傷的面積及體積都與理論值相差不大，且其變化趨勢一致，隨著輻照深度和聲強(qiáng)的增加都呈非線性增加。應(yīng)用HIFU表面和完全消融模式分別輻照30 mm×42 mm×24 mm的離體牛肝，表面消融模式能在靶區(qū)周邊形成完整的壞死帶，與中間未輻照的肝臟邊界較清晰。光鏡下，輻照區(qū)域出現(xiàn)典型的凝固性壞死，壞死帶與正常肝臟邊界清晰。表面消融模式與完全消融模式的總輻照時間、累積能量實驗結(jié)果分別為（785.7±45

12、.2）s、（216.8±13.9）kJ和（991.8±80.0）s、（276.9±21.2）kJ，兩種模式的總輻照時間與累積能量比較均有統(tǒng)計學(xué)顯著性差異（P＜0.05）。表面消融模式和完全消融模式的總輻照時間、總累積能量實驗結(jié)果分別和理論計算結(jié)果相比有差異，且存在一定的比值關(guān)系，運(yùn)用此比值修正后的公式預(yù)測靶區(qū)為30 mm×42 mm×56 mm、30 mm×42 mm×64 mm的輻照時間、累積能量及吸收能量，通過實驗證明預(yù)測值與實驗值

13、相符合。
　?。?）HIFU表面消融輻照離體牛肝后，靶區(qū)周邊壞死帶在超聲圖像上呈強(qiáng)回聲，與中央未輻照區(qū)邊界較清晰，靶區(qū)3D重建圖像較清晰，壞死面與正常組織邊界能較好的辨別。超聲圖像勾畫的消融體積平均值為（30.1±3.2）cm3，牛肝組織壞死測量消融體積平均值為（29.6±2.6） cm3，兩種測量方法比較無顯著性差異（P＞0.05）。
　　結(jié)論：
　　1.建立了 HIFU表面消融模式理論仿真模型。通過仿真模型的數(shù)值計

14、算，從理論上證明HIFU表面消融模式輻照時間、吸收能量及累積能量均低于完全消融模式。隨著消融體積的增加，表面消融模式所需的總輻照時間、總吸收能量及總累積能量的降低越來越明顯，表明對于大體積腫瘤表面消融模式比完全消融模式更具有優(yōu)勢。
　　2. HIFU表面消融模式消融離體牛肝的實驗結(jié)果與修正后的仿真模型預(yù)測結(jié)果相符合，表明該仿真模型可以有助于預(yù)測HIFU表面消融模式輻照腫瘤所需的輻照時間、吸收能量及累積能量。
　　3.超聲影像