CN107049476A - 一种基于单针实测反馈的电压源表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单针实测反馈的电压源表征方法，包括：利用热消融仪进行热消融实验，获得功率分布函数；建立温度场仿真模型；通过最小化单针实测温度数据与单针仿真温度数据之间的误差，反馈得到最优等效电阻；基于功率分布函数，计算出热消融过程中的电压源。本发明提出的电压源表征方法基于单针实测数据进行反馈调节，能够有效地导出不同消融条件下的精确电压源，从而能够获得临床所需的特异性温度场分布，由此提高热消融手术的科学性和可靠性。

Description

一种基于单针实测反馈的电压源表征方法

技术领域

本发明涉及射频热消融温度场仿真技术领域，具体地讲，涉及一种基于单针实测反馈的电压源表征方法。

背景技术

肝肿瘤是人类生命安全的最大威胁之一，在中国是肿瘤导致死亡的第二杀手，因此肝肿瘤的有效治疗已成为亟待解决的社会问题。目前，射频热消融技术因微创、治疗效果显著等优点而在医院中得到了广泛应用，已成为治疗人体肝肿瘤行之有效的方法，但热消融的质量仍主要取决于临床医生的经验，缺乏客观依据。在临床手术中，肝肿瘤的热凝固区常采用54℃作为边界阈值。因此，需要热消融温度场的精确表征以提高热消融手术的科学性。

在临床射频热消融手术中，常用的是温控射频消融仪。在治疗期间，临床医师首先将工作电极置于目标位置并且将中性电极贴附于体表，形成电流回路；然后设置工作电极温度(例如，90℃)、升温速率(例如，30℃/分钟)和消融时间；射频仪根据所设置的参数实时地调节输出功率，通过功率补偿获得恒定的中心温度，最终获得所需的热凝固效果。在热消融过程中，工作电极面积较小，其附近电流密度大，因此热量主要集中在工作电极附近，在其周围形成消融灶。

目前通常采用有限元仿真技术来获得消融温度场分布。因为射频加热本质是电阻抗加热，所以电压源的精确表征对于温度场仿真至关重要。现有技术中，电压源通常采用恒定电压(例如，22伏)和步进调节电压，不符合实际情况，具有很大的局限性。温控射频消融仪可以导出实时功率数据，因此可通过计算出热消融电流回路中的等效电阻来获得精确的电压源。尽管在热消融过程中，消融区的电阻会随温度而变化，但消融区相对于整体回路而言，阻值的变化可忽略不计，由此可将整体回路中的等效电阻视为恒定值。在热消融手术中，由于工作电极和中性电极以及解剖组织的变化，难以精确地确定电流回路的等效电阻。因此，通过反馈计算出回路最优等效电阻，进而导出精确的电压源是一种切实可行的方法。公开号为CN102008351A的专利公开了一种射频损毁仪温度场分布的获取方法，其获得了特定中心温度下的温度场分布函数，具有一定的便捷性，但未考虑到因电极位置和组织变化而产生的电压源变化，不能较好地应用于临床。公开号为CN101006939的专利公开了一种局灶性前列腺适形消融电极，在单个子电极中设有热电偶，以实时反馈单点的温度，但该技术只能获得单点的精确实时温度，不能获得精确电压源和整个消融区的温度分布。总而言之，射频热消融温度场仿真领域仍需要电压源的精确表征技术。

发明内容

针对现有技术中因电压源而导致无法精确获得温度场分布的问题，本发明提出一种基于单针实测反馈的电压源表征方法。在具体实施过程中，利用单针实测获得特定点的温度，另外不断改变等效电阻值获得仿真温度，通过使仿真温度与实测温度的差值达到极小值获得最优等效电阻；然后通过已知功率数据来获得精确的电压源。

应用本发明的前提是：利用恒温热消融仪RFA-I(Blade Co.,Ltd.,Beijing,China)和仿肝组织体模获得热消融实验数据；通过COMSOL Multiphysics软件(COMSOLInc.,Palo Alto,CA,USA)获得温度场仿真数据。

本发明采取的技术方案是：首先通过射频伞形电极热消融实验获得七个点的实测温度；在COMSOL平台中采用经典的麦克斯韦电磁方程和Pennes传热方程建立热消融仿真模型；由于射频热消融过程中，在180秒之前采用射频激励电路，在180秒之后采用功率补偿电路，从而具有不同的等效电阻，因此通过单针实测数据的反馈调节获得最优的分段等效电阻，进而获得精确的电压源；最后通过仿真数据和实验数据对比，验证此技术的可行性。

一种基于单针实测反馈的电压源确定方法包括以下步骤：

步骤1、通过热消融实验，得到功率分布函数；

步骤2、在COMSOL Multiphysics软件中设置预设初始条件和边界条件，建立温度场仿真模型；

步骤3、根据功率分布函数和温度场仿真模型，利用单针反馈分段获得射频激励回路等效电阻R_e和功率补偿回路等效电阻R_c的最优值以及电压源U的精确表征函数。

作为优选，步骤1中通过RFA-I消融仪伞形电极和仿肝组织体模进行热消融实验，其包括以下步骤：

步骤1.1，在热消融实验中，对消融区的七个点进行实测，获得实测温度，其中选取一个点作为反馈点，另外六个点进行对比验证；

步骤1.2，导出热消融期间的功率数据，对功率数据进行拟合，获得功率分布函数P(t)。

作为优选，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1，在温度场仿真模型的前180秒，调节R_e的数值，计算反馈点的仿真温度(T_S)与实测温度(T_M)之间的温度差值▽T＝T_M-T_S，其中，▽T取T_M-T_S在各个时间采样点的绝对和，通过拟合获得▽T与R_e之间的函数关系▽T＝f(R_e)，最小化▽T，获得最优的射频激励回路等效电阻R_e，

▽T＝-4.755×10^-5R_e ⁵+0.006323R_e ⁴-0.3228R_e ³+8.044R_e ²-65.32R_e+396.2；

步骤3.2，在180秒之后的仿真中，采用最优的R_e，然后不断调节R_c的数值，计算▽T，通过拟合获得▽T与R_c之间的函数关系▽T＝f(R_c)，最小化▽T，获得最优的功率补偿回路等效电阻R_c，

▽T＝6.043×10^-5R_c ⁶-7.001×10^-2R_c ⁵+0.302R_c ⁴-5.939R_c ³+56.38R_c ²-333.9R_c+2062

步骤3.3，根据功率分布函数，获得的电压源的精确表征函数，即；

U(t)＝(t＜180)*(5.789*P(t))^0.5+(t≥180)*(19.0921*P(t))^0.5。

本发明的基于单针实测反馈的电压源表征方法，包括：利用热消融仪进行热消融实验，获得功率分布函数；建立温度场仿真模型；通过最小化单针实测温度数据与单针仿真温度数据之间的误差，反馈得到最优等效电阻；基于功率分布函数，计算出热消融过程中的电压源。本发明提出的电压源表征方法基于单针实测数据进行反馈调节，能够有效地导出不同消融条件下的精确电压源，从而能够获得临床所需的特异性温度场分布，由此提高热消融手术的科学性和可靠性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明提出的基于单针实测反馈的电压源确定方法，能够精确地获得不同消融条件下的电压源的表征函数，解决了现有技术中无法获得工作电极电压变化的难题。

2.本发明可通过单针实测获得不同消融组织(例如，肝组织、肺组织等)的回路最优等效电阻，因此在温度场仿真中获得的温度场分布更符合实际情况，具有更强的特异性和临床适用性。

附图说明

图1为根据本发明的实施方案的射频热消融实验装置的示意图；

图2为根据本发明的实施方案的的电压源表征方法的概述流程图；

图3为射频热消融实验中随时间变化的功率的曲线图；

图4为本发明方法中获得的热消融效果的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。

在本实施方案中，射频热消融装置为消融仪RFA-I(Blade Co.,Ltd.,Beijing,China)，工作电极为伞形电极RFA-1315，子电极数13根，其中主电极直径0.9mm，长度150mm，子电极均匀地分布在主电极周围，直径0.3mm，长度150mm，相邻子电极间的夹角为55°，实验中所用测温针为YWY-2(Kang You Co.,Ltd.,Nanjing,China)，共9根，直径1.2mm，长度120mm。图1示出了根据本发明的实施方案的射频热消融实验装置的详细视图，其包括射频消融仪RFA-I和测温针。

在本实施方案中，热消融体模是基于张步林等人研制的透明仿肝组织体模配方制备的，具体配方如表1所示。所制备体模的尺寸为50×50×70mm³，其具体组织特性参数与肝脏基本一致，如表2所示。

表1射频热消融仿肝组织体模配方

表2体模组织与肝组织特性对比

本发明的电压源表征方法的概述流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，通过RFA-I消融仪伞形电极和仿肝组织体模进行热消融实验，消融时间取6分钟，中心电极恒定温度为90℃，温升速率为30℃/分钟。

步骤1.1，在热消融实验中，对消融区的七个点进行实测，获得实测温度，测温点的坐标如表3所示，其中选取第1点作为反馈点，第2-7点进行温度对比验证；

表3测温点的坐标

步骤1.2，导出热消融期间的功率数据，如图3所示，利用拟合软件1stOpt(7D-SoftHigh Technology Inc.,Beijing,China)对功率数据进行拟合，获得功率P随时间t的变化函数P(t)，如公式(1)所示：

步骤2，在COMSOL Multiphysics软件中，建立几何模型，设置物理参数，定义边界条件和初始条件，利用麦克斯韦电磁方程和Pennes传热方程获得温度场仿真模型。

步骤3，利用单针反馈分段获得射频激励回路等效电阻R_e(Ω)和功率补偿回路等效电阻R_c(Ω)的最优值以及电压源U(V)的精确表征函数。由于中心电极恒定温度为90℃，温升速率为30℃/分钟，因此在180秒之前，射频消融仪采用射频激励电路，在180秒之后，射频消融仪采用功率补偿电路，使中心温度保持在90℃。

步骤3.1，在仿真模型的前180秒，调节R_e的数值，计算反馈点的仿真温度(T_S)与实测温度(T_M)之间的温度差值▽T＝T_M-T_S，其中为了减小随机误差和系统误差，▽T取每隔一秒的T_M-T_S的绝对和，通过1stOpt拟合获得▽T与R_e之间的函数关系▽T＝f(R_e)，如公式(2)所示，随后最小化▽T，获得最优的射频激励回路等效电阻R_e＝5.789(Ω)；

▽T＝-4.755×10^-5R_e ⁵+0.006323R_e ⁴-0.3228R_e ³+8.044R_e ²-65.32R_e+396.2 (2)

步骤3.2，在180秒之后的仿真中，采用最优的R_e，然后不断调节R_c的数值，计算▽T，通过1stOpt拟合获得▽T与R_c之间的函数关系▽T＝f(R_c)，如公式(3)所示，随后最小化▽T，获得最优的功率补偿回路等效电阻R_c＝19.0921(Ω)；

▽T＝6.043×10^-5R_c ⁶-7.001×10^-2R_c ⁵+0.302R_c ⁴-5.939R_c ³+56.38R_c ²-333.9R_c+2062 (3)

步骤3.3，根据功率P随时间t的变化函数P(t)，获得的电压源的精确表征函数，如公式(4)所示；

U(t)＝(t＜180)*(5.789*P(t))^0.5+(t≥180)*(19.0921*P(t))^0.5 (4)

步骤3.4，在COMSOL中利用上述电压源进行温度场建模，获得各个点的温度分布。图4示出了根据本发明方法的热消融效果的示意图。

步骤4，利用其余六个点的实测温度数据验证电压源和温度场分布模型的精确性。为了显示仿真值与实测值之间的误差，分别基于公式(5)、(6)、(7)获得最大误差(α)、平均误差(β)和标准偏差(δ)。表4列出了2-7点的相应误差。

其中，i表示时间采样点的序号，n表示时间采样点的总数，T_i ^S为第i采样点的仿真温度，T_i ^M为第i采样的实测温度。

表4测量点的仿真值与实测值之间的误差

从表4中可以看出，仿真结果与实测结果具有非常好的一致性，平均误差小于约3℃，标准偏差小于约2.5℃，满足临床需要的误差范围。本发明的电压源表征方法具有极好的实用性，可有效地解决射频消融仿真中电压无法精确获得的难题。

Claims (3)

1.一种基于单针实测反馈的电压源确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过热消融实验，得到功率分布函数；

步骤2、在COMSOL Multiphysics软件中设置预设初始条件和边界条件，建立温度场仿真模型；

步骤3、根据功率分布函数和温度场仿真模型，利用单针反馈分段获得射频激励回路等效电阻R_e和功率补偿回路等效电阻R_c的最优值以及电压源U的精确表征函数。

2.如权利要求1所述的基于单针实测反馈的电压源确定方法，其特征在于，步骤1中通过RFA-I消融仪伞形电极和仿肝组织体模进行热消融实验，其包括以下步骤：

步骤1.1，在热消融实验中，对消融区的七个点进行实测，获得实测温度，其中选取一个点作为反馈点，另外六个点进行对比验证；

步骤1.2，导出热消融期间的功率数据，对功率数据进行拟合，获得功率分布函数P(t)。

3.如权利要求1所述的基于单针实测反馈的电压源确定方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1，在温度场仿真模型的前180秒，调节R_e的数值，计算反馈点的仿真温度(T_S)与实测温度(T_M)之间的温度差值▽T＝T_M-T_S，其中，▽T取T_M-T_S在各个时间采样点的绝对和，通过拟合获得▽T与R_e之间的函数关系▽T＝f(R_e)，最小化▽T，获得最优的射频激励回路等效电阻R_e，

▽T＝-4.755×10^-5R_e ⁵+0.006323R_e ⁴-0.3228R_e ³+8.044R_e ²-65.32R_e+396.2；

步骤3.2，在180秒之后的仿真中，采用最优的R_e，然后不断调节R_c的数值，计算▽T，通过拟合获得▽T与R_c之间的函数关系▽T＝f(R_c)，最小化▽T，获得最优的功率补偿回路等效电阻R_c，

▽T＝6.043×10^-5R_c ⁶-7.001×10^-2R_c ⁵+0.302R_c ⁴-5.939R_c ³+56.38R_c ²-333.9R_c+2062

步骤3.3，根据功率分布函数，获得的电压源的精确表征函数，即；

U(t)＝(t＜180)*(5.789*P(t))^0.5+(t≥180)*(19.0921*P(t))^0.5。