骨肉瘤HIFU消融凹面骨表非对称热损伤及其超声多参量监控成像

For the mechanisms of the asymmetric thermal lesion on the concave bone surface during high-intensity focused ultrasound (HIFU) ablation of osteosarcoma and the ultrasonic multi-parametric monitoring imaging, simulation of nonlinear acoustic and temperature field, fiber optic probe hydrophone, temperature monitoring using MR and thermocouples, nanoindentation and ultrasonic multi-parametric imaging methods are used to investigate: (1) the 3-D asymmetric acoustic and temperature field extended along the surface of the bone at normal and oblique incidences of HIFU; (2) the asymmetric thermal lesion of the soft tissue and periosteum, and the reduced elastic modulus and hardness of bone surface; (3) ultrasonic integrated reflection coefficient (IRC) and apparent integrated backscattering (AIB) imaging methods for monitoring the mechanical properties of the superficial periosteum and bone mineral density; (4) ultrasonic statistic multi-parametric imaging methods for monitoring the thermal lesion of the soft tissue. The objects of this proposal are to clarify the mechanisms of the asymmetric thermal lesion at the bone-soft tissue interface and to develop the ultrasonic multi-parametric monitoring imaging methods for monitoring the thermal lesion of soft tissue and periosteum on the bone surface during HIFU ablation of osteosarcoma with high efficiency and safety.

针对骨肉瘤HIFU消融凹面骨表热损伤非对称反向延展、反映消融效果与安全的超声监控成像等问题，采用非线性声场及温度场仿真计算、宽带光纤水听器HIFU声场扫描、磁共振及多通道热电偶丝温度测量、原位纳米压痕仪骨表机械性能测量、骨膜及软组织热损伤超声多参量监控成像等理论与实验方法，主要研究：(1)HIFU垂直及不同角度斜入射与凹面骨表反射耦合非对称三维非线性声场与温度场及其反向延展与分布模式；(2)骨膜及软组织非对称热损伤与骨表折合模量及硬度；(3)骨表热损伤浅表机械性能和骨矿密度的超声骨表IRC和AIB参量监控成像方法；(4)软组织热损伤浓度和散射特性的超声散射统计多参量监控成像方法。阐明骨肉瘤HIFU消融凹面骨表骨膜、软组织和骨-软组织界面处热损伤非对称反向延展机制，建立反映骨表骨膜和软组织HIFU消融效果与安全性的超声多参量监控成像方法，为临床高效安全的骨肉瘤HIFU消融技术发展提供参考。

针对骨肉瘤HIFU消融凹面骨表热损伤非对称反向延展、反映消融效果与安全的超声监控成像等问题，本项目主要研究：(1)HIFU垂直及不同角度斜入射与凹面骨表反射耦合非对称三维非线性声场与温度场及其反向延展与分布模式；(2)骨膜及软组织非对称热损伤与骨表折合模量及硬度；(3)骨表热损伤浅表机械性能和骨矿密度的超声骨表AIB、IRC、FSAB、SCS、nMBD和nSBD参量监控成像方法；(4)软组织热损伤浓度和散射特性的超声散射统计多参量监控成像方法。主要研究结果：1）骨的存在会使HIFU焦点声压增大，且会在骨前表面形成驻波场；2）HIFU倾斜入射时，声压沿骨表面向与HIFU入射相反方向延伸，与HIFU偏转方向相同的一侧导波强度和声压会更小，与HIFU偏转方向相反的一侧导波强度和声压会更大；3）骨对温度体现出了累积作用，腿骨浅表温度有明显的升高，且高温区域在骨中并靠近骨-组织的界面；4）HIFU作用于骨表，超声反射与入射波叠加，骨表软组织热损伤尺寸增加；5）HIFU作用后骨表折合模量与硬度均显著下降；6）建立了骨表热损伤超声AIB、IRC、FSAB、SCS、nMBD和nSBD参量监控成像方法；7）建立了软组织热损伤浓度和散射特性的Nakagami和背向散射积分(integrated backscatter, IBS)多参量监控成像方法。本项目阐明了骨肉瘤HIFU消融凹面骨表骨膜、软组织和骨-软组织界面处热损伤非对称反向延展机制，建立了反映骨表骨膜和软组织HIFU消融效果与安全性的超声多参量监控成像方法，为临床高效安全的骨肉瘤HIFU消融技术发展提供了参考。发表学术论文9篇，其中SCI期刊论文8篇（中科院I、II区7篇），EI期刊论文1篇；授权发明专利5项（1项美国发明专利，4项国家发明专利）。