Page 66 - 《应用声学》2021年第3期

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temperature field in the lower focal region of HIFU intermittent treatment mode is predicted, which is expected
to provide theoretical reference for the formulation of safe and effective HIFU preoperative treatment scheme.
Keywords: High intensity focused ultrasound; Treatment mode; Depth; Focal region; Temperature field
distribution

布进行了计算，探讨了这些参数的变化与焦域温度
0 引言
变化之间的规律，构建一种理论性的间歇式 HIFU
个性化治疗中焦域温度计算模型，结果有望为制定
高强聚焦超声 (High intensity focused ultra-
安全、有效的HIFU术前治疗方案提供理论参考。
sound, HIFU) 治疗技术，由于具有能将 HIFU 聚焦
区域中的声能迅速转化为热能达到 “消融” 靶区癌
症变组织的温度，同时又不损伤周围健康组织，诸 1 仿真原理与方法
如其微创性、不易引起癌细胞转移和术后恢复快等 1.1 Westervelt方程
优点，被誉为 21世纪用于肿瘤非侵入性治疗的新技
二阶流体黏滞的非线性传播方程，即 Wester-
术 [1−2] 。HIFU 临床治疗的一个关键科学问题是如
velt [10−11] 方程可计算焦域内的声场分布：
何确定 HIFU 消融肿瘤的最佳临床治疗模式，使得
2
2
3
1 ∂ p 1 δ ∂ p β ∂ p
2
焦域温度迅速升高到 60 C 以上，达到杀死肿瘤细 ∇ p − − ∇p∇ρ + +
◦
4
4
2
c ∂t 2 ρ 0 c ∂t 2 ρ 0 c ∂t 2
0
0
0
胞的目的。手术中临床医生一般凭借经验选择常用
= 0, (1)
的治疗模式，大剂量的治疗模式会损伤到声通道中
的正常组织，如出现皮肤正常组织烫伤或神经损伤 式 (1) 中，p 为声压；ρ 0 为介质密度；c 0 为介质
等并发症，给病人带来痛苦；较小剂量的治疗模式又 内 声 速； β = 1 + B/2A 为 非 线 性 系 数 (其 中
会引起肿瘤组织的不完全致死，增大术后复发的可 B/2A 为非线性声参量)；δ = b/ρ 0 为与声吸收
能性 [3−4] 。因此，如何选择合适的治疗模式，既使得 系数相关的声扩散率，b 为吸收参数，可表示为
能杀死肿瘤组织又不损伤周围的健康组织是临床 b = µ + 2µ + k(1/C V − 1/C P )，µ是切边黏滞系数，
′
治疗的关键。 µ 是膨胀黏滞系数，k 是热传导系数，C V 是等体积
′
张千等 [5] 通过数值仿真，讨论超声声强、辐照 热容，C P 等压热容。超声在组织中传播，由于靶区
时间、换能器表面与颅骨相对距离等参数对颅内焦 组织的黏滞热吸收将部分声能转化为热能导致靶
域温度场的影响。Abdolhosseinzadeh 等 [6] 采用人 区组织温度瞬间升高并发生凝固性坏死。由声强的
工神经网络分析方法，对换能器参数进行优化估计， 空间梯度计算公式 Q = −∇ · I 可计算得出单位体
得到了温度分布与换能器功率、频率和占空比之间 积单位时间内组织吸收的热量 Q(热源)，其中声强
的关系。常诗卉等 [7] 用数值仿真的方法研究了在辐 I = ⟨pv⟩，p为声压，v 为质点振动速度，⟨ ⟩ 表示时间
照功率、辐照时间一定的前提下，双焦点对焦域温 平均。凹球面聚焦换能器的声场中，焦域处声强可
∑ n
2
度分布的影响。许永华等 [8] 采用定点辐照 2 s、停 由I = ⟨p n ⟩ /ρ 0 c 0 , n = 1, 2, 3, · · · 表示，这里 n
1
止1 ∼ 5 s、辐照1 ∼ 6次的辐照模式，根据磁共振成 取4，则热源Q可表示为
像(Magnetic resonance imaging, MRI)温度图焦域 n n
∑ ∑ 2α n ⟨ 2 ⟩
温度是否达到 65 C 来判断靶区消融情况。许永华 Q = 2αI = 2α n I n = p n . (2)
◦
ρ 0 c 0
1 1
等 [9] 还通过 MRI引导的 HIFU 治疗设备，选用辐照
1.2 Pennes生物热传导方程
2 s、停止 2 ∼ 3 s 的治疗模式对 43例病人的 51个子
宫肌瘤进行超声治疗，验证了 MRI 引导的 HIFU 治 为了准确预测超声能量转化为热量引起的靶
疗子宫肌瘤的可行性和安全性。 区组织温度场的变化，引入目前最为广泛应用于描
本文借助数值模拟方法，通过构建声热耦合 述组织在超声作用下的温度场模型 —Pennes 生物
模型，采用有限元法对组织区域进行离散化，结合 热传导方程：
Westervelt 方程和 Pennes 生物组织传热方程计算 ∂T(x, t)
ρ 0 C 0
了 HIFU 焦域的动态温度场分布。并针对不同治疗 ∂t
2
模式、不同治疗深度以及不同组织中的焦域温度分 = ∇ KT(x, t) − C(T b (x) − T(x, t))+Q(x, t), (3)