HIFU超声换能器的测试与数值仿真分析.docx
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HIFU超声换能器的测试与数值仿真分析
HIFU超声换能器的测试与数值仿真分析
天津医科大学硕士学位论文
中文摘要
高强度聚焦超声是近年来新兴的一种肿瘤治疗手段,并应用于临床治疗。
但在临床治疗过程中,常会出现治疗靶区肿瘤组织不能完全致死、皮肤烧伤等临床治疗问题,使该治疗的安全性不能保障。
为了解决这些临床问题有必要对HIFU换能器声场、温度场进行有效的预测和测量。
研究目的通过对水体中HIFU换能器声场的分布以及离体组织、仿组织体模HIFU温度
场实验的研究,分析讨论HIFU声场分布、焦域温度场及组织损伤特性变化规律。
从而为HIFU治疗计划的制定提供有效的数据和仿真方法。
研究方法
(1)通过PT探针式水听器实际测量水槽内HIFU换能器声压分布,并与相
对应数值仿真模型结果进行对比方法,验证和修改仿真方法。
(2)通过在不同激励条件下对液晶感温膜和仿组织体模进行辐照,讨论焦
域形状变化规律以及焦域温度分布。
(3)通过在不同激励条件下对离体猪肝组织下进行辐照,讨论损伤区域大
小和形状的变化规律。
研究结果
1.HIFU换能器声场的测定与数值仿真
(1)相同激励频率、不同激励功率条件下,随着激励功率的增加焦点处声
压值变大,焦点位置基本不变;
(2)相同激励功率、不同激励频率条件下,在共振频率下焦点处的声压值
最大,随着频率的降低,形成的焦点位置向远离换能器一侧移动:
(3)数值仿真声压分布与实验测量结果相一致;(4)在实际操作中如果需要在低于共振频率条件下得到与共振频率下所形
成的焦点声压,可以通过增大激励功率的方法得到实现。
2.HIFU仿组织体模实验
(1)在对HIFU辐照仿组织体模焦域温度分布实验中,68.5℃.73.5"C之间
的区域面积较小,73.5℃以上区域面积最大其形状基本为椭圆形;
(2)HIFU辐照仿组织体模后,68.5"C.73.5"C之间的区域面积较小,73.5℃
以上区域面积最大。
随着激励功率的增加,73.5℃以上区域面积逐渐变大,长短
天津医科大学硕士学位论文
轴都逐渐变大,长轴变化幅度大于短轴变化幅度;(3)HIFU辐照仿组织体模后,68.5℃.73.5℃之间的区域面积较小,73.5℃
以上区域面积最大。
随着照射时间的延长,73.5"C以上区域面积逐渐变大,长短轴都逐渐变大,长轴变化幅度大于短轴变化幅度。
3.HIFU离体组织猪肝组织实验
(1)随着激励功率的增加,猪肝组织内形成的变色焦域最大剖面的面积逐
渐增大,长短轴的长度逐渐增加,长轴变化程度较大。
当激励功率在170w和190w时,HIFU辐照后焦域形状呈规则的椭圆形,当激励功率增加到220w时,HIFU照射后焦域形状变得不规则;
(2)随着照射时间的延长,猪肝组织焦域最大剖面的面积逐渐增大,长短轴的长度逐渐增加,长轴变化程度较大。
当照射时间在8s和10s时,HIFU辐照后焦域形状为规则的椭圆形;当照射时间增加到12s时,焦域形状变得不规则。
结论
(1)随着激励功率的增加,焦点声压变大,位置不变;随着激励频率的增
加,共振频率下焦点声压最大,随着激励频率的降低焦点位置向远离换能器一侧移动;仿真结果与实验结果基本一致。
(2)随着激励功率增加和照射时间的延长,仿组织体模和离体猪肝组织焦域面积都逐渐变大,长短轴均变大,长轴变化幅度大子短轴变化幅度;在高激励功率和长照射时间下,离体猪肝损伤区域形状可能变得不规则。
关键词:
高强度聚焦超声声场温度场肿瘤治疗
n
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Abstract
111recentyears,Hi.ghIntensityFocusedUltrasound(HIFU)hasre·eme玛edasaminimallyinvasiveandnon-ionizingtherapeuticmodalityforthetreatmentofavarietyofsolidtumors,includingbothmalignantandbenigntumors.ButforHIFU
tumorthempysystem,severalpotentialcomplicationssuchasskinburnsand
incompletecoagulationoftissuedamagemayoccur,anditcallnotbeguaranteethesafetyofthistreatment.Hence,itisnecessarytoforecastandmeasureeffectivelytheacousticfieldandtemperaturefieldofHIFUtransducer.
objeetive
ByHIFUultrasonictransducerforacousticfieldinwaterdistribution,isolatedorganizationsandtissuephantomexperimentofHIFUtemperaturefieldstudy,analysisanddiscussiononsoundfielddistribution,temperaturefieldinthefocal
regionofHIFUandi竭u】秒characteristicschange.ThussupplyforHIFUtreatment
planningwimvaliddataandsimulationmethods.Researchmethods
(1)MeasuringsoundpressuredistributioninHIFUtransducerbyPTprobetypehydrophoneandmethod诚t11therelativenumericalsimulationmodelresults,verifyandchangethesimulationmethod.
(2)Irradiationontemperaturemembraneandtissuephantombydifferentconditions,discussedfocalfieldshapevariationandtemperaturedistributionoffocal
region.
(3)Irradiationonlivertissueinvitroindifferentconditions,discussingdamage
regionalvariationofsizeandshape.Resuk
1.MeasurememandNumericalsimulationinHIFUtransducer’Sacousticfield
(1)Whentheexcitationfrequencywaskeptconstant,thepressureatfocalpointgotlargerwiththeincentivepowerincreasing,whilethechangeinthefocallengthwasnegligible.
(2)WhentheexcitationfrequencyWaskeptconstant,Thef.0础po缸moved
towardsthetransducer、耐也thefrequencyincreasinguntilthemaximumsound
III
天津医科大学硕士学位论文
pressurewasgainedattheresonantfrequency(RF).
(3)Thedistributionofacousticpressurewasalmostthesamebothinthenumericsimulationandexperimentmeasure.
(4)Whentheexcitationfrequencywaslowerthantheresonantffequency,the
sameacousticpressureasformedintheresonantfrequencycouldbeachievedbyincreasingtheincentivepower.
2.Experimentintissuephantom
(1)Instudyingthedistributionoftemperaturefieldintissuephantom,theregionwhichtemperaturebetween68.5"Cand73.5"Cissmallandtheregioncouldbeformedtoellipseshapeoncethetemperatureishigherthan73.5"C
(2)AfterirradimionthetissuephantombyHIFU,theareawhichtemperature
between68.5"Cand73.5"Cissmallandtheareawhichtemperatureabove73.5"Cislarger.Whentheincentivepowerwasincreased,thefocalregion谢nltemperaturehigherthan73.5℃gotlarger'thelongaxisandshortaxisbecamelonger,whilethe
changeinlongaxisWasobviousthanthatinshortaxis.
(3)AfterirradiationthetissuephantombyHIFU,theareawhichtemperature
between68.5"Cand73.5"Cissmallandtheareawhichtemperatureabove73.5"Cislarger.WhentheexposuretimeWasincreased,thefocalregionwithtemperaturehigherthan73.5"Cgotlarger,thelongaxisandshortaxisbecamelonger,whilethe
changeinlongaxisWaSobviousthanthatinshortaxis.3.Experimentinvitropigliver
(1)Whentheincentivepowerwasincreased,theareaofmaximumfocalregion
Wasincreasedandthelengthoflongaxisgotlargeralot.ThefocalregionoftemperaturefieldWaSanellipseshapewhentheincentivepowerwas170wor190w.OncetheincentivepowerWasincreasedto220w,thefocalregionWaSirregular.
(2)Whentheexposuretimegotlarger,theareaofmaximumfocalregionWas
increasedandthelengthoflongaxisgotlargeralot.ThefocalregionoftemperaturefieldWasallellipseshapewhentheexposuretimewas8sor10s.OncetheexposuretimeWasincreasedtol2s,thefocalregionwasirregular.
IV
天津医科大学硕士学位论文
Conclusion
(1)Thepressureatfocalpointgotlarger谢tlltheincentivepowerincreasing,whilethechangeinthefocallengthWasnegligible;Thefocalpointmovedtowardsthetransducer、^,imthefrequencyincreasinguntilthemaximumsoundpressurewasgainedattheresonantfrequency(RF);Thedistributionofacousticpressurewasalmostthesamebothinthenumericsimulationandexperimentmeasure.
(2)Withincreasedincentivepowerandextendedexposuretime,focalfieldbecomeslarge,shortandlongaxesarelarger,long—axisrangeisgreaterthantheshorteraxischangerateintissuephantomandlivertissueinvivo;underhigll
excitationpowerandlongerexposuretime,pigliverinjuryinvitroregionshapesmaybecomeirregular.
Keywords:
HIFUacousticfieldtemperaturefieldtumortherapy
V
天津医科大学硕士学位论文
缩略语/符号说明
HIFUHighIntensityFocusedUltrasound高强度聚焦超声
FDTDFiniteDifferenceTimeDomainMethod时域有限差分法
VIII
天津医科大学硕士学位论文一、前言
一、刖吾
高强度聚焦超声(HighIntensityFocusedUltrasound,HIFU)肿瘤治疗作为一种新的肿瘤治疗技术,近年来已成为众多研究者关注的焦点【I】并应用于临床治疗
【2巧】。
HIFU治疗是将超声能量聚焦于病变组织,组织吸收超声能使其温度急剧升高并发生凝固性坏死的疗法。
该法已经应用于前列腺增生及其肿瘤睁7】、乳腺肿瘤、子宫肌瘤璐-9]、肝肿瘤【10l等治疗。
现在对于HIFU形成可治疗焦点区域的位置、大小及其温度分布的测定监控方法尚无有效的方法和手段,在临床治疗中可能出现皮肤烧伤、肿瘤组织不能完全致死等临床问题。
为了解决这些问题,对于HIFU换能器形成的声压场和温度场的测量很有必要。
1.1HIFU换能器声场
为了提高HIFU治疗的可靠性和安全性,对HIFU换能器形成声场的预测是很有必要的。
通过对HIFU换能器声场的有效预测,进而可以对HIFU焦域温度场进行研究,从而提高HIFU治疗的安全性和有效性。
现今对于HIFU换能器声场的研究一般采用水中声场测量法和数值仿真法。
1.1.1HIFU换能器声场的数值仿真
通过HIFU换能器所产生的声场进行数值仿真,可以有效对声场进行预测。
2001年夏荣民等采用时域有限差分法对由简谐波和脉冲波激发的自聚焦换能器的声场进行了研究【ll】。
2004年毛彦欣、张德俊等通过瑞利积分研究了不同媒质声衰减和高声强所引发的非线性对声焦域的影响【12】。
2007年周玉禄、张德俊等人采用基于KhokhlovZabolotkayaKuznetsov(KZK)方程所描述的聚焦声波在层状生物组织中的传播方程,应用时域有限差分法研究了不同辐照强度对声焦域的影响【13】。
2009年张果、刘志军等利用有限元方法研究了不同组织中声场分布规律【14】。
2010年重庆医科大学的董岐、林涛等采用瑞利积分的方法对声透镜聚焦换能器声场进行了线性仿真【15】。
2000年伯根大学Hoffelner、Landes等用有限元方法模拟了非线性声波在流体中的传播,并基于非线性声波动方程数值仿真了非线性声波的衰减效应【16】。
日本东京大学松本洋一郎等人通过FDTD法研究了大开口换能器发出的声波在穿过不同障碍物后所形成的声场Il列。
1.1.2HIFU换能器声场的测量
1992年Staudenraus和Eisenmenger提出并利用光纤端头反射光的变化对声场
天津医科大学硕士学位论文一、前言
进行了测量。
1994年Wu等运用声光衍射法设计了一套可以同时测量声压和声波频率的实验装置【18】。
1998年寿文德运用辐射压力法对HIFU聚焦后声功率进行了实验测量【191。
2001年年Servant等利用化学发光成像的方法对声场形状和声强分布进行了观测【201。
2002年Osama利用高频压电陶瓷空心球作为水听器对声场进行了测量,该水听器在几何形状、尺寸和灵敏度等方面有很多优势【2¨。
2003年王月兵等利用激光测振设备对聚焦换能器声场进行了测量田J。
2004年Slla:
w研制出一种可以在治疗中即时测量声功率的新型薄膜水听器【23J。
2005年汪钱纯等用
Bragg光纤光栅对聚焦声场进行了检测【冽。
2006年Zanelli和Howard设计了一种有效避免空化损坏的水听器瞄j。
1.2HIFU焦域温度场
HIFU治疗中所形成温度分布是影响其疗效的关键因素之一。
HIFU焦域温度场的实验研究主要包括对仿组织体模、离体动物组织和活体动物实验。
重庆医科大学李发琪、马平等设计了一种由聚丙烯酰胺凝胶和蛋清制备成的透明体模,该体模经辐照后可以产生与组织辐照后相同形状的聚焦区域[26-271。
威斯康星大学Chin等设计了一种用琼脂球和正丙醇制作的可反复进行高强度聚焦超声研究实验的仿组织材料口引。
Kal,leko[29]和张先/Et30】用异丙基丙烯酰胺(N.isopropylaerylamide)单体和丙烯酰胺(Acrylamide)单体制作了一种更接近生物
软组织热变性的共聚体模。
华盛顿大学Noble等研制的PA.BSA(聚丙烯酰胺凝
胶一牛血清白蛋白)可视仿组织体模【3M2】。
离体动物组织由于具有与人体组织相近的声学特性,现今已大量应用于HIFU治疗的基础研究当中。
重庆医科大学李发琪,马平等通过离体的牛肝脏组织研究了聚焦换能器频率和曲率对HIFU焦域的影响【331。
上海大学的刘丹等通过对新鲜离体的猪肝脏进行了研究证明了猪肝蛋白质变性时声速和声衰减确实发生显著改变【蚓。
南京医科大学附属医学院的孔炜伟,尹振宇等也通过对离体牛肝在不同HIFU辐照模式下的损伤进行了研究【351,南京大学的张樯、许坚毅、冯若等对环状HIFU换能器形成焦域进行了研究【36】。
1.3研究目的
为了提高在HIFU治疗过程中的安全性和可靠性,动态监控和预澳JHIFU治疗过程中形成的声压和温度场非常必要。
数值仿真法是对HIFU治疗进行预测的有
2
天津医科大学硕士学位论文一、前言
效手段,仿真结果的真实性和有效性需要通过实验的检验。
本研究中通过对HIFU声场的测量与仿真对比的方法,验证和修改该仿真方法。
并进行了离体组织和仿组织体模的HIFU温度场实验,进一步研究在仿组织体模内形成的温度和离体肝组织内形成损伤区域形状和大小,为HIFU治疗计划的制定提供有效的数据和仿真方法。
1.4研究内容
1.HIFU声场的实验测量与数值仿真对东京大学松本高木实验室制作的HIFU换能器进行相应的测量,并对该换
能器相应的参数以及特性进行测试。
并通过数值仿真和实验测量进行对比,进一步分析在不同激励功率、不同激励频率下声场变化规律,并对数值仿真方法进行验证。
(1)HIFU换能器声场的实验测量通过PT探针式水听器和HIFU实验平台,实验测量HIFU换能器在不同激励频
率、不同激励功率条件下水体中HIFU换能器声轴声压、焦平面声压的分布情况。
(2)HIFU换能器声场的数值仿真建立HIFU换能器的水体模型,对声波的非线性传播方程进行时域有限差分
来对在不同激励功率、不同激励频率下水体中HIFU换能器声压分布情况进行数值仿真。
(3)对实验结果与仿真结果进行对比2.仿组织体模和离体猪肝组织HIFU实验
(1)仿组织体模HIFU实验对液晶感温变化模和仿组织体模组合分别在不同激励功率、不同照射时间
条件下进行HIFU实验,分析不同条件下焦域温度分布。
(2)离体猪肝组织初步HIFU实验对离体猪肝组织分别在不同激励功率、不同照射时间条件下进行HIFU实验,
分析不同条件下形成的焦域特性。
3
天津医科大学硕士学位论文二、HIFU换能器声场笪塞堕量垫篁堕塞
二、HIFU换能器声场的实验与数值仿真
2.1HIFU换能器声场的实验测量
2.1.1实验设备及仪器
1.凹球面压电陶瓷换能器图2.1所示的HIFU凹球面压电陶瓷换能器(由日本东京大学松本高木实验室
提供),其中图2.1(a)为lEI球面无孔自聚焦换能器,图2.1(b)为凹球面中孔自聚焦换能器。
换能器的参数分别见表2.1和表2.2。
(a)凹球面无孔自聚焦换能器(b)凹球面中孔白聚焦换能器
图2.1HIFU压电陶瓷换能器表2.1凹球面换能器参数
换能器参数
开口直径(IIun)100
曲率半径(IIull)80
共振频率(MHz)O.75
阻抗(Q)50
表2.2凹球面中孔换能器参数换能器参数
开口直径(mm)100
曲率半径(nun)80
中孔直径(nlIll)50
共振频率(MHz)0.85
阻抗(Q)50
4
天津医科大学硕士学位论文二、HIFU换能器声场的实验与数值仿真2.水听器
如图2.2所示为NCS.1型PVDF(PT)探针式水水听器,直径0.8mm,PVDF膜厚度为251am,水听器的灵敏度>10nV/Pa,使用频率范围为0.5MHz至15MHz,
校准的不确定度为10%。
3.函数发生器
如图2.3所示为美国安捷伦公司生产的33250A函数发生器,输出正旋波频率为1It-80MHz,幅度峰峰值在10mV-10V之间,准确度为(1kHz)为士1%设置
值-4-1mY峰峰值,幅度分辨率为12bit,采样率为200MSa/s。
4.射频
- 配套讲稿:
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