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高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)肿瘤治疗技术以其非侵入性、无毒副作用和可重复施治等特性已成功应用于子宫肌瘤、乳腺癌、前列腺癌和肝癌等实体软组织肿瘤的临床治疗,但对于有颅骨包裹的脑肿瘤治疗而言,由于颅骨的非均质性结构及其与周围脑组织声学特性差异较大,声波在经颅传播时发生相位畸变和幅值衰减,导致颅骨处能量沉积而损伤颅骨及周边组织、焦域处能量不足而无法致死病变组织等临床问题的发生。近些年研发的大开口半球形相控换能器可使超声辐照颅骨表面面积最大化,可降低颅骨中的热沉积,并成为众多研究者关注的热点之一。研究目的HIFU经颅脑肿瘤治疗中,相控换能器是核心部件,换能器结构和工作参数直接影响形成焦域的声压场和温度场分布,研究其结构设计和调控方法有利于实现无创、精准、有效的HIFU经颅脑肿瘤治疗。本文通过对小开口换能器的结构和工作参数的设计,数值仿真研究其形成温度场的变化规律来设计HIFU经颅治疗用大开口半球形相控换能器,并对其形成声压场和温度场特性进行数值仿真研究;通过选择大开口换能器的全部或部分阵元激励的方法,研究具有小开口和大开口半球形相控换能器特性的HIFU经颅治疗相控换能器,增强换能器形成焦域的可调性,为HIFU脑肿瘤临床治疗提供技术方法和理论依据。研究方法基于本实验室设计随机分布82阵元相控换能器的设计方法,在Matlab计算平台上分别设计开口直径100mm的小开口半球形相控换能器和开口直径300mm的大开口半球形相控换能器,并结合人体头颅CT扫描数据,分别建立小开口换能器的三维HIFU经脑组织传播的数值仿真模型和大开口换能器的三维HIFU经颅数值仿真模型;基于时间反转的数值拟合相位调控方法(Phase Modulation by Fitting,PFM)获取换能器阵元的激励信号;在GPU并行运算平台上(容天SCS4450(双核CPU/2.6GHz/内存128GB/显存96GB))应用CUDA C语言FDTD(Finite Difference Time Domain)数值解析Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程,研究其形成声压场和温度场,并以声压场旁瓣与主瓣最大声强比值0.25作为安全阈值判断其声场特性,以54℃以上区域为可治疗焦域研究其形成焦域温度场特性。研究结果1.小开口换能器(1)换能器激励频率为0.5MHz~0.8MHz时,焦域中心温度随激励频率的增加逐渐升高,54℃以上治疗焦域短轴几乎不变,长轴逐渐减小;当频率为0.8MHz~1.0MHz时,温度场内旁瓣逐渐增多,焦域中心温度随激励频率的增加逐渐降低,54℃以上治疗焦域长轴和短轴均逐渐减小。(2)当换能器激励面积比为32%和35%时,焦域中心温度均随阵元半径的增大和阵元数的减少先升高后逐渐降低,54℃以上治疗焦域长轴、短轴变化与温度变化相一致,均先增大后减小;当换能器激励面积比为41%时,焦域中心温度随阵元半径的增大和阵元数的减少逐渐升高,54℃以上治疗焦域长轴、短轴基本不变。2.大开口换能器(1)当大开口换能器激励面积比为32%时,焦域较小,旁瓣温度较高,激励面积比为41%时,焦域中心温度较高,温度场内几乎没有旁瓣。(2)大开口换能器沿声轴(x轴)上设定不同的焦点聚焦时,随着设定焦距值的增大,焦点处声压幅值先增大后减小、旁瓣与主瓣的最大声强比值先减小后增大;焦域中心温度先升高后降低,旁瓣温度先降低后升高,54℃以上治疗焦域长轴、短轴均先增大后减小。当设定焦距为144mm时,焦域中心声压最低,,旁瓣与主瓣最大声强比值远远超过了安全阈值0.25,且未形成54℃以上可治疗焦域;当设定焦距值为174mm时,焦域中心温度未达到54℃的温度阈值。(3)大开口换能器在过半球形相控换能器的球心点(150,150,150)(单位:mm)沿y轴调控聚焦时,随着偏离声轴x轴距离的增大,焦域中心声压逐渐减小,旁瓣逐渐增多且声压逐渐增大,旁瓣与主瓣的最大声强比值逐渐增大,焦域中心温度逐渐降低,旁瓣温度逐渐升高,54℃以上治疗焦域长轴、短轴均逐渐减小。在偏离声轴6mm聚焦时,焦平面内出现大量旁瓣,且旁瓣与主瓣的最大声强比值超过安全阈值0.25,焦域中心温度未达到54℃的温度阈值。(4)大开口换能器在过球心点沿z轴聚焦时,随着偏离声轴x轴距离的增大,焦域中心声压逐渐减小,旁瓣逐渐增多且声压逐渐增大,旁瓣与主瓣的最大声强比值逐渐增大,但均小于安全阈值0.25;焦域中心温度逐渐降低,旁瓣温度逐渐升高,54℃以上治疗焦域长轴、短轴均逐渐减小。在偏离声轴6mm聚焦时,未形成54℃以上可治疗焦域。(5)激励全部阵元聚焦时,大开口半球形相控换能器声轴x轴方向上的调控范围为150~168mm;y轴和z轴方向上的安全可调范围为离轴3mm。(6)通过激励换能器接近基底中心的45阵元,可在声轴x轴上设定焦距为138mm和144mm处形成可治疗焦域,y轴和z轴方向上均可在偏离声轴6mm处形成可治疗焦域,声轴方向的焦域调控范围扩至138~168mm,y轴和z轴方向上的焦域调控范围扩至偏离声轴6mm。研究结论1.小开口换能器激励面积比参数可应用于大开口换能器的设计。2.大开口换能器适用于脑深部肿瘤治疗,但其可调控范围较小。3.通过选择部分阵元激励的方法,可在大开口换能器的基底上实现小开口换能器聚焦,扩大半球形相控换能器焦域的调控范围。本研究利用开口直径100mm小开口换能器的温度场变化规律设计了开口直径300mm的256阵元随机分布半球形相控换能器,通过选择大开口换能器部分阵元激励,在大开口换能器中实现了小开口换能器聚焦,扩大了焦域调控范围,将来研发具有大与小开口换能器优势互补的HIFU经颅脑肿瘤治疗相控换能器成为可能。