Home>Schools

  • Complex
  • Title
  • Author
  • Keyword
  • Abstract
  • Scholars
Search

[学位]

十微秒级脉冲聚焦超声自发诱导的空化微泡增强热消融

Share
Edit Delete Claim

Author:

印晖 (印晖.)

Indexed by:

学位论文库

Abstract:

自二十世纪末以来,聚焦超声技术在临床治疗领域获得了巨大的进步,尤其是高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU)在肿瘤热消融方面已经被越来越多地应用。HIFU的作用机制主要包括热机制和空化机制,传统意义的HIFU技术为了降低空化微泡对声能量的吸收和遮挡,会尽可能的避免空化效应的影响。而近十年来的研究表明,空化微泡可以显著增强HIFU的治疗效率,更有大量的研究通过人为注射超声微泡造影剂,来增强靶组织对超声波的吸收。然而,静脉注射始终是风险极大的用药途径。考虑到HIFU换能器本身也是高效的空化源,本论文就以HIFU自身的空化为研究起点,从光学和声学的角度检测并评价了HIFU在不同作用模式下空化的强度和形态,以此为基础探索并发现了低功率条件下最适宜产生空化的参数范围(十微秒级的短脉冲配合10kHz的脉冲重复频率)。基于此发现,优化了HIFU的发射参数,利用脉冲式HIFU(pulsed HIFU,pHIFU)自发产生的空化微泡来增强热消融。为了验证该治疗策略的有效性和可行性,本论文的工作从水中的空化研究过渡到仿体/含蛋白质的仿体、离体组织以及活体动物,做了以下4个方面的研究工作:
(1)利用声致发光/声致化学发光(sonoluminescence/sonochemiluminescence, SL/SCL)描述了HIFU的空化场。SL/SCL是惯性空化的最直接的指示剂,它能够直观地反映空化过程中活化气泡的空间分布和活跃程度。本论文搭建了一种声辐射力平衡系统,利用声反射构造出一个驻波声场,限制住空化微泡,使其仅在空化产生的位置附近(范围局限在1/4个波长)振动或坍塌,从而被发光图像表征出来。研究发现,驻波场在低功率条件下能够有效地限制气泡的位移;在高于一定声功率时,SCL在焦点附近会出现“过饱和”现象,同时会在焦前和焦后区域出现大量空化泡群;随着声功率进一步增加,焦前的空化泡群会遮挡声能量的传播,使得焦后空化明显减弱;借助该装置可以观察到,在极低的功率条件下,空化微泡会按照驻波的特性等距分布在焦区,通过SCL手段初步验证了适当降低声能量的聚集就能避免焦区空化“过饱和”现象的观点。为了抑制过多不必要的声能量聚集,采用脉冲的发射模式是一种重要手段。
(2)研究了pHIFU在透明的聚丙烯酰胺仿体中的SL,并对pHIFU的脉冲参数进行了系统的探索。本论文首先通过仿真计算和预实验探索了仿体中产生空化的功率和声压条件;接着固定功率值,通过改变pHIFU的脉冲宽度(pulse duration, PD)和脉冲重复频率(pulse repetation frequency, PRF),系统地研究了脉冲参数对仿体内的空化分布和强度的影响。研究发现,较低的声功率(19.5W)条件下, pHIFU相比连续式HIFU(continuous HIFU, cHIFU),能更容易地在焦区产生空化微泡,且空化微泡聚集在焦区;PD从1个周期逐步增加到23个周期,SL的强度表现出先增加后减弱的变化趋势,在PD为6个周期时达到最大,直到PD为23个周期时无法检测到SL;PRF从0.5kHz逐步增加到100kHz,同样存在一个极大值为10kHz,过低或过高的PRF都不利于空化的产生;而作为对照组的cHIFU在同样的声功率条件下无法在仿体内产生空化与发光。
(3)利用上述适宜产生空化的参数范围,研究了pHIFU在牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)仿体中的热消融,初步验证了pHIFU自发诱导的空化微泡增强热消融的有效性和可行性。利用高速摄影相机,记录了pHIFU在BSA仿体内形成热损伤的过程,同时用热电偶记录了焦点附近温度随时间的变化曲线。结果表明,pHIFU在仿体内自发形成的空化微泡确实能够增加局部声波的非线性,提高该区域声能量的吸收效率;空化微泡也会在后续脉冲的作用下,在仿体内小范围剧烈地振动,还能与组织相互摩擦,加速热量的产生;但是不同PD的作用结果表明,热量的积累仍然需要一定时间跨度,虽然之前的工作显示空化是在PD为6个周期时最剧烈,但是热消融仍需要PD为10~12个周期时效率才能最高。
(4)根据仿体实验的结果,将pHIFU的PD设置为12个周期、PRF设置为10kHz,进行离体组织和活体动物的实验验证。本论文对离体肝脏和大腿肌肉组织治疗20s后,沿声轴线切开组织观察热损伤剖面,与cHIFU的治疗结果进行比较。结果表明,pHIFU对离体组织的热消融的效率明显高于cHIFU;H&E染色显微观察的结果表明,pHIFU治疗后除了有热损伤,还有极少成分的机械损伤,即在组织热凝固坏死的内部存在不连续的微小空腔,证实了组织内确实产生了空化微泡,并且这些微泡有效地促进了热损伤的形成。本论文还搭建了研究pHIFU热消融的活体动物实验平台,基于该平台进行了活体动物验证,并使用B超成像设备对热损伤结果进行评价,发现热损伤部位灰度值明显升高,呈强回声区域。实验结果证实了该治疗方法在组织和活体上的有效性和可行性。
本论文的工作为十微秒级pHIFU自发诱导的空化微泡增强热消融提供了理论和实验基础。

Keyword:

高强度聚焦超声 空化 热消融 声致发光 声致化学发光

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学生命科学与技术学院

Reprint Author's Address:

Show more details

Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 万明习

Year: 2016

Language: Chinese

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 18

FAQ| About| Online/Total:709/217855666
Address:XI'AN JIAOTONG UNIVERSITY LIBRARY(No.28, Xianning West Road, Xi'an, Shaanxi Post Code:710049) Contact Us:029-82667865
Copyright:XI'AN JIAOTONG UNIVERSITY LIBRARY Technical Support:Beijing Aegean Software Co., Ltd.