Page 83 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 陈燕华等： 高强度聚焦超声治疗子宫肌瘤中水囊耦合的影响评估 1193

background signal-to-noise ratio of ultrasonic image, it is found that the quality of ultrasonic image decreased
when there was a water bag within the acoustic passage. Numerical simulation model established in this paper
can preliminarily assess the influence of water bag on the treatment efficiency and on the monitoring image
quality. The proposed method can be used as a kind of evaluation platform for optimizing the water bag
parameters, such as its material, thickness, shape, and its internal solution composition. This study also laid
the foundation for searching for new water bag with experiment methods in the future.
Keywords: High intensity focused ultrasound; Water bag; k-Wave; Treatment efficiency; Imaging quality

播过程中的声通道环境使得声波无法聚焦；从监控
0 引言
影像层面来说，由水囊造成的复杂声通道也会使成

子宫肌瘤 (又称平滑肌瘤或肌瘤) 是最常见的 像质量恶化。
子宫良性肿瘤 [1−2] 。高强度聚焦超声 (High inten- Bᡔੇϸ੡ॎӝ
sity focused ultrasound, HIFU) 已经被证明对治疗
子宫肌瘤十分有效 [3] ，且2020年被纳入子宫肌瘤治
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疗的临床指南。作为一种无创的热消融技术，HIFU ཥ۫
通过将能量聚焦在局部位置 [4] ，在不损伤周围正常 ᐝძ ̡ʹᄕᐩ
组织的情况下使肌瘤组织发生热凝固性坏死。为了
精准高效地对子宫肌瘤进行消融，HIFU 治疗模块 ඵٺ
一般需要与超声影像引导模块相结合 [5] ，组成具有 ᑲඡඵ
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引导功能的治疗平台 (如图 1 所示)。在治疗子宫肌
瘤的过程中，病人处于俯卧状态，超声治疗头从下往
上发射能量进行治疗，临床医生会依据肿瘤的位置、 HIFU૱ᑟ٨ ඵയ
大小、声通道的环境来制定最佳的热消融治疗方案。 图 1 HIFU 治疗系统与超声影像引导相结合的系
除了脱气水作为 HIFU 治疗的耦合剂外 [6] ，水囊也 统平台
作为一种额外的辅助器件在子宫肌瘤的治疗过程 Fig. 1 HIFU treatment system combined with
中发挥着重要作用(图1)。具体而言，医生可以通过 ultrasound image guidance system platform
升降超声影像探头，挤压水囊以推开声通道中的障
理论表明，一列平面波垂直入射中间层介质时，
碍 (如膀胱或直肠等)，并能够减小病灶离皮肤表面
若中间层介质的厚度远小于超声波波长，中间层介
的距离(当病灶较深时，此举可以降低治疗难度)，以
质不影响超声波的传播，超声波能完全透射过去 [9] 。
此来寻找最佳的治疗窗口。但是，水囊的引入在某
但本文在实验中发现，当声波处于 1 ∼ 3 MHz 范围
种程度上也使得声通道变得复杂，会影响治疗效率
时，即使水囊的厚度只有50 µm，也会对超声波的传
和监控影像质量，特别是当水囊的材料选择不当时。
播造成不容忽视的影响。为了评估这种影响，本文
超声波由超声换能器发出再到达靶组织的过
基于 k-Wave 声学仿真软件，一方面建立超声在生
程会出现超声吸收、超声散射和超声折射等物理现
物介质中的非线性传播模型，在有无水囊条件下对
象 [7] ，从而影响声能量焦点在靶组织上的聚焦性。
比焦域处的温度变化，以此分析水囊对治疗效率的
在 HIFU 治疗子宫肌瘤中，超声波的耦合机制要为
影响；另一方面建立超声成像过程的仿真模型，通过
超声换能器和组织之间的能量传输过程提供最佳
分析超声图像的质量来评估水囊对监控影像质量
的声阻抗匹配。因此有效的耦合剂必须具有与人体
的影响。
组织相近的声学系数 [8] (如声阻抗、声速，并具有较
低的衰减系数)，以保证能量的穿透率并降低声波传 1 材料与方法
播的偏移。一般情况下，脱气水是一种临床较为接
受的耦合方式。加入水囊后，如果水囊不满足以上 1.1 声波透过3层介质理论模型
声学属性要求，将会造成耦合问题。从治疗层面来 水囊 (原材料为热塑性聚氨酯弹性体又称热塑
说，这不仅会造成超声能量的损失，还会破坏声波传 性聚氨酯橡胶，简称TPU)的材质是透明的TPU 薄