骨肉瘤HIFU消融股骨远端骨表非对称热损伤及其超声鉴别监控成像

For the subject of the asymmetric thermal lesion on the concave bone surface during ablation of osteosarcoma using high-intensity focused ultrasound (HIFU) and the differentiable ultrasonic monitoring imaging of ablation efficiency and lesion on the bone surface, methods of a fiber optic probe hydrophone, MR temperature monitoring, a laser vibrometer and ultrasonic imaging are used to investigate: (1) the symmetrical and asymmetric acoustic pressure field extended along the surface of the bone at normal and oblique incidences of HIFU; (2) the nanometer vibration of the bone surface on both sides of HIFU focus at various incident angles, powers and working frequencies of HIFU; (3) the ultrasonic imaging for monitoring the thermal lesion of the soft tissue and the mechanical properties of the superficial periosteum and bone mineral density, as well as the in vivo animal experiments. The object of this proposal is to clarify the mechanisms of the asymmetric thermal lesion at the bone-soft tissue interface and to develop the differentiable ultrasonic monitoring imaging methods of the thermal lesion of the soft tissue and periosteum on the bone surface during ablation of osteosarcoma using HIFU.

针对骨肉瘤HIFU消融凹面骨表处非对称热损伤形成机制、反映消融效果与骨表损伤的超声监控成像等问题，采用光纤水听器声场扫描结合骨表纳米振动激光多普勒测振、损伤超声成像并对照温度场磁共振成像等方法，研究：（1）HIFU垂直及不同角度斜入射与骨表反射耦合形成的非对称声场时空分布；（2）HIFU焦点两侧骨表对称与沿骨表反向延展的非对称纳米振动特性；（3）骨表软组织热损伤程度与骨膜机械特性及骨矿密度等反映HIFU消融效果与安全性的超声鉴别监控成像方法及活体动物实验评价。阐明骨肉瘤HIFU消融股骨远端凹面骨表软组织、骨膜和骨-软组织界面处热损伤非对称反向延展机制，建立反映骨表软组织和骨膜消融效果与安全性超声鉴别监控成像方法，为临床精准高效安全骨肉瘤HIFU消融治疗发展提供参考。

聚焦超声治疗向药物释放、基因转染、溶栓和肿瘤热消融等领域全面拓展。特别是高强度聚焦超声(high-intensity focused ultrasound, HIFU)， 由于其无创、快速、可选择性局部治疗等特点，其生物组织结构研究和应用对象也相应从软组织向含血管再到骨界面等复杂生物组织结构拓展。骨肿瘤及骨转移疼痛治疗等含骨生物组织结构的 HIFU 治疗研究近年来取得较大发展。本项目针对骨肉瘤HIFU消融中骨表处非对称热损伤形成机制、反映骨表热损伤的超声监控成像等问题，采用光纤水听器声场扫描、骨表纳米振动激光多普勒测振、损伤超声成像等方法，主要研究：（1）HIFU垂直及不同角度斜入射与骨表反射耦合形成的非对称声场时空分布。（2）HIFU垂直与不同角度斜入射股骨远端骨表焦点两侧对称与沿骨表反向延展的非对称纳米振动特性。（3）HIFU垂直与不同角度斜入射时骨表软组织热损伤及其对应的超声Nakagami监控图像。（4）骨表热损伤时其超声IRC和AIB参量的改变。本项目的主要研究结果：（1）有骨界面存在时，HIFU焦点处声压从对照组（无骨界面）的1.3 MPa增加到1.5 MPa。当HIFU从焦点左面倾斜入射骨表时，HIFU焦点右面3 mm处的声压为0.6 MPa，而HIFU焦点左面3 mm处的声压为0.4 MPa。（2）HIFU引起的骨表振动幅度及频率与HIFU入射声功率及工作频率呈正比。当HIFU垂直入射骨表时，骨表振动幅度大于HIFU入射角为-37°时的振动幅度，但低于入射角为37°的振动幅度。（3）软组织热损伤时，超声Nakagami监控图像中对应位置出现高亮区域，并不易受到微泡遮挡影响。（4）骨表热损伤区域的AIB参量平均值比正常区域高出35%左右，而IRC参量平均值相比正常区域减少70%左右。本项目研究阐明HIFU热消融骨表软组织、骨膜和骨-软组织界面处热损伤非对称反向延展机制，建立反映骨表软组织和骨膜消融效果与安全性超声鉴别监控成像方法，为临床精准高效安全骨肉瘤HIFU消融治疗发展提供参考。