活性软材料中高强度聚焦超声波传播特性及其辐射力效应研究

High intensity focused ultrasound(HIFU) therapy having the advantage of non-invasive and non-destructive is regarded as a novel clinical treatment with great prospect. However, limited by the incapability of characterizing the high intensity focused ultrasound fields in human body, this therapy has not been widely used in clinical application. So, considering the characteristic of high intensity focused ultrasound fields, this project aims to propose a methodology of characterizing the HIFU field using soft active material(SAM) mimicking tissue which employs the perception and response ability of dielectric elastomer and hydrogel. In this project, not only the propagation rule of the HIFU in soft active material but also the action mechanism of radiation force with the SAM mimicking tissue will be explored based on the research method commonly used in elasticity, electroelasticity and nonlinear acoustic. Further implementation of the presented method will provide effective theoretical data and reference for selecting radiation dose and setting therapeutic scheme in HIFU clinical application, then promote the development of HIFU cancer therapy technology.

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound，HIFU)肿瘤治疗技术作为一种非介入性无创疗法极具应用价值和发展潜力，然而人体组织内声场定征手段发展的滞后严重制约了该技术相关基础研究的深入和临床应用的推广。为此，本项目旨在探索利用活性软材料的生物亲和性及自感知能力进行仿组织内HIFU声场定征的理论和方法。结合弹性、电弹性力学与非线性声学的相关理论，在深入研究活性软材料中高强度聚焦超声波的非线性传播规律，明确超声辐射力与活性软材料仿组织体模作用机理的基础上，建立活性软材料仿组织体模对其内HIFU声场特征参数的传感理论模型，从而提出一种基于活性软材料仿组织体模的HIFU声场自定征方法，为人体组织内HIFU声场定征等效手段的发展奠定理论基础，该方法的成功实施还将为HIFU肿瘤治疗领域基础研究及临床治疗剂量的设定和治疗方案的确定提供一种共性技术手段。

随着恶性肿瘤对人类生命健康的危害日益严重而病人愈发关注术后器官功能恢复及生存质量改善，高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU)作为一种非介入性无创治疗技术，具有无放射性、并发症少、治疗后恢复快及适用范围广等特点，倍受重视和关注。HIFU声场的分布形式及其相关参数直接决定靶区温度场的分布，其对肿瘤治疗效果以及病变组织周边健康肌体的安全程度具有重要影响。然而人体组织内声场定征手段发展的滞后严重制约了该技术基础研究的深入和临床应用的推广。为此，本项目本项目旨在利用软活性材料的生物亲和性，其具有承载功能的同时还可感知和响应外部刺激的特点，通过对活性软材料中高强度聚焦超声波的非线性传播规律进行深入研究，明确超声辐射力与活性软材料仿组织体模作用机理的基础上，建立活性软材料仿组织体模对其内HIFU声场特征参数的传感理论模型，从而提出一种基于活性软材料仿组织体模的HIFU声场自定征方法。在这三年的项目推行过程中，以介电高弹聚合物及水凝胶为活性软材料仿组织体模的主要组份，直接从非线性电弹性理论的运动方程和电荷平衡方程入手，以及材料本构方程和边界条件推导了外部偏场作用下的波动方程，通过数值和实验的方法探索了不同模式超声波的传播特性；将超声辐射力归纳为计算包围软活性材料仿组织体模封闭曲面动量流通量的时间平均，获得了软活性材料仿组织体模中辐射力与HIFU声功率的关系；同时，在研究力、电耦合作用下软活性材料仿组织体模的动力学响应基础上，借助用光学测量的技术手段，提出了基于振速测量的软活性材料体模声场重建方法。这些研究成果为人体组织内HIFU声场定征等效手段的发展奠定理论基础，该方法的成功实施还将为HIFU肿瘤治疗领域基础研究以及临床治疗剂量的设定和治疗方案的确定提供一种共性技术手段，推动HIFU肿瘤治疗技术的进一步发展。