CN108830017A - 基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及生物医学工程领域，公开了一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法及其系统，大大提高了预测温度分布的速率和准确性。本申请的方法包括：建立第一区域；取得消融针位置，以消融针为中心，在第一区域内建立第二区域；第二区域内的导电率保持恒定，调整第一区域的导电率，使得消融针与地极之间的阻抗与治疗系统实际测得的个体真实阻抗一致；对第一区域和第二区域的组合体进行网格划分，利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算，从而获得温度场时空信息。

Description

基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法及其系统
技术领域
本申请涉及生物医学工程领域，特别涉及基于个体阻抗的射频加热温度场预测技术。
背景技术
随着现代影像技术和计算机化手术指导技术的发展，微创热消融技术在肿瘤治疗中得到了广泛的重视，经皮射频消融(RFA)是一种替代肝癌手术切除的热疗方式。在RFA治疗过程中，当离子和极性分子在交变磁场中的振荡时，高频交流电会引起摩擦加热，将导致温度上升至60℃以上，使蛋白质和细胞核的瞬时变性，肿瘤细胞直接坏死或凋亡。
实现有效的RFA治疗的关键是精确控制消融区(热凝区)的大小和形状，从而避免肿瘤组织残留和对正常组织的附带损害。数学建模为其提供了一种有效的方法来预测温度场和相应的组织损伤范围，对于制定更精确的治疗计划具有重大意义，研究人员一直致力于提高模拟的准确性和速率。
然然，本申请的发明人发现，在模拟RFA治疗过程中，现有的建模方法的计算结果往往与实际情况有较大的偏差。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法及其系统，大大提高了预测温度分布的准确性。
为了解决上述问题，本申请公开了一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，包括：
建立第一区域；
取得消融针位置，以消融针为中心，在该第一区域内建立第二区域；
该第二区域内的导电率保持恒定，调整该第一区域的导电率，使得该消融针与地极之间的阻抗与治疗系统实际测得的个体真实阻抗一致；
对该第一区域和第二区域的组合体进行网格划分，利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算，从而获得温度场时空信息。
在一优选例中，该第一区域为椭圆柱体，该第二区域为圆柱体。
在一优选例中，该第二区域覆盖该消融针的消融范围。
在一优选例中，该消融针包括单极、双极、多极消融针。
在一优选例中，该消融针垂直插入该第一区域。
在一优选例中，该射频场模型采用准静电场模型。
在一优选例中，该生物传热模型采用Pennes生物传热模型。
在一优选例中，该利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算的步骤中，采用有限元方法进行数值计算。
本申请还公开了一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统，包括：
第一区域建立单元，用于建立第一区域；
第二区域建立单元，用于取得消融针位置，以消融针为中心，在该第一区域内建立第二区域；
导电率设置单元，用于保持该第二区域内的导电率恒定，调整该第一区域的导电率，使得该消融针与地极之间的阻抗与治疗系统实际测得的个体真实阻抗一致；
计算单元，对该第一区域和第二区域的组合体进行网格划分，利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算，从而获得温度场时空信息。
本申请还公开了一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行该计算机可执行指令时实现如前文描述的方法中的步骤。
本申请还公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如前文描述的方法中的步骤。
本申请实施方式中，通过巧妙设计简单的几何结构，同时充分考虑个体阻抗的差异性，大大提高了预测温度分布的速率和准确性，将有利于制定更精确的临床射频治疗计划、治疗过程术中监控以及治疗结果的预测与评估。
进一步地，将第一区域设置为椭圆柱体，第二区域设置为圆柱体，在可以达到计算精度要求的前提下，大大简化了计算过程，加快了计算速度。
本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是本申请第一实施方式中一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法的流程示意图；
图2是本申请一个实施例中所建立的几何模型示意图；
图3是图2几何模型在一个方向的剖视图；
图4是图2几何模型在另一个方向的剖视图；
图5是图2几何模型的网格划分示意图；
图6为本申请一个实施例所预测的温度场时空信息示意图；
图7为本申请一个实施例所建立的模型以及现有技术的模型预测的温度与实验测量的温度对比图；
图8为本申请一个实施例所建立的模型以及现有技术的模型预测的温度与实验测量的温度误差比较图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
下面概要说明本申请的部分创新点：
本申请的发明人发现，在模拟RFA治疗过程中，现有的建模方法通常不考虑患者之间的个体差异，将组织的导电性设置为恒定值，或者将负电极位置设置在肝脏底部，模拟过程只考虑肝脏的导电率。然而在实际临床手术中，负电极位置常常贴在个体的臀部或背部，因此将负电极设置在肝脏底部或者不考虑个体电学性质差异的模拟方法将产生极大偏差。在临床RFA手术中，个体阻抗常常被记录，并用作判断射频加热过程中组织是否碳化。同时，该阻抗反应的是正负电极之间的阻抗大小，包含肝脏阻抗以及个体躯干的阻抗。由于个体和组织之间的差异性，不同个体之间的阻抗并不相同，这对于研究肝脏组织中的射频能量分布有很大的影响。因此，基于以上信息，发明人创新性地提出了一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测的方法，并与实验测量结果验证了模型的准确性。
本申请先建立一个基于人体尺寸大小的大几何体(即第一区域)，代表被消融对象(如人体或动物身体)躯干组织，再以消融针为中心，在大几何体内建立小几何体(即第二区域)，代表目标消融区域的组织，内部小几何体的导电率保持恒定(例如统一设置为文献中使用的组织导电率)，调整外部大几何体的导电率，使得消融针与地极之间的阻抗与治疗系统测得的个体真实阻抗一致，然后对上述两个几何体组合的模型进行网格划分和计算。该技术方案一方面充分考虑了个体阻抗的差异性，大大提高了预测温度分布的准确性，另一方面巧妙设计了简单的几何结构，省去了繁琐的皮肤、组织分割重建步骤，大大简化了建模和计算速度，将有利于制定更快速、更精确的临床射频治疗计划或预测治疗结果。通过将本申请计算结果和实验测量的结果向比较，验证了本申请技术方案的准确性。通过将本申请计算结果与现有技术中的温度场预测数值模型进行对比，一方面本申请的计算更准确，另一方面计算的速度更快。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
本申请第一实施方式涉及一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法。图1是该基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法的流程示意图。该方法包括以下步骤：
步骤101，建立第一区域。优选地，第一区域是一个基于人体尺寸大小的大几何体，代表人体躯干组织。优选地，第一区域在需要射频加热的个体的体内建立，例如需要接受射频加热的人体内，或动物体内。可选地，第一区域也可以有一小部分不与人体重合，例如落在人体之外，只要所引起的误差在允许范围之内就可以。
此后进入步骤102，取得消融针位置，以消融针为中心，在第一区域内建立第二区域。本申请各实施方式中的第一区域、第二区域都是三维立体的区域，或者说是三维立体空间区域。其中第一区域包含了第二区域，优选地，第一区域远大于第二区域。优选地，第二区域是以消融针为中心，在第一区域的大几何体内建立的小几何体，代表目标消融区域的组织。优选地，第二区域覆盖消融针的消融范围。
此后进入步骤103，第二区域内的导电率保持恒定，调整第一区域的导电率，使得消融针与地极之间的阻抗与治疗系统实际测得的个体真实阻抗一致。
此后进入步骤104，对第一区域和第二区域的组合体进行网格划分，利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算，从而获得温度场时空信息。
第一区域和第二区域的形状可以是多种多样的。优选地，第一区域为椭圆柱体，第二区域为圆柱体。将第一区域设置为椭圆柱体，第二区域设置为圆柱体，在可以达到计算精度要求的前提下，大大简化了计算过程。在本申请的其他实施方式中，第一区域和第二区域还可以是其他的形状，例如第一区域的形状可以是圆柱体，椭圆柱体，长方体，或者其他模拟人体躯干形状的几何体，其尺寸大小与正常人体躯干的尺寸大小接近。第二区域的形状还可以是圆柱体，球体，长方体，或其他模拟消融区域的几何体，其尺寸大小要求超出射频探针的消融范围。
消融针的形式可以是多种多样的，例如单极、双极、多极消融针等。
优选地，消融针垂直插入第一区域。可选地，消融针可以以任意角度插入第一区域。
在步骤104中使用的射频场模型可以是多种多样的。优选地，射频场模型采用准静电场模型。可选地，射频场模型采用射频电场模型。可选地，射频场模型采用电磁波理论模型。
在步骤104中使用的生物传热模型可以是多种多样的。优选地，生物传热模型采用Pennes生物传热模型。可选地，生物传热模型采用修正的生物传热模型。可选地，生物传热模型采用Weinbaum JJ方程。可选地，生物传热模型采用热传导方程。
步骤104中的耦合计算是一种数值计算。该数值计算的实现方法也可以是多种多样的。优选地，可以采用有限元方法进行数值计算。可选地，耦合计算可以采用有限差分法。可选地，耦合计算可以采用计算软件计算。
通过与现有研究模型对比，结果表明一方面我们通过巧妙设计简单几何结构，大大加快了建模和计算速度，省去了繁琐的皮肤、组织分割重建步骤，另一方面我们考虑实际阻抗后会大大提高温度分布预测的准确性，有助于制定更精确的临床射频治疗计划或预测治疗结果。
下面说明本实施方式的一个具体实施例，本实施例以射频消融治疗伞针为例，充分考虑了个体阻抗的差异性。
本实施例包括以下步骤：
第一步，在有限元仿真软件(例如Comsol)中建立一长轴为30cm，短轴为18cm，长度为45cm的大椭圆柱体23(即第一区域)，如图2、图3和图4所示。将外部大椭圆柱体设置为个体躯干部分。
第二步，取得消融针21位置，以消融针为中心，在大椭圆柱体内建立高和底面圆直径均为5.5cm的小圆柱体22(即第二区域)；消融针的正极放置于小圆柱体中心，插入的深度H为6cm。负极板放置于大椭圆柱体的一个底面，负极直径为6.2cm。正极与负极之间的距离L为35cm。将内部小圆柱体设置为加热的肝脏组织，消融针选择实际采用的消融针型号。
第三步，内部小圆柱体的导电率保持恒定，采用文献中使用的肝脏导电率，设置为0.53S/m。调整外部大椭圆柱体即个体躯干部分的导电率，使得消融针与地极之间的阻抗与治疗系统测得的个体真实阻抗一致。实例中测量得到的阻抗为45欧姆，根据调整结果，个体躯干的导电率应设置为0.48S/m；在现有技术的模型中，通常不考虑阻抗大小而将这两部分组织的导电率设定为统一值，即0.53S/m。
第四步，对上述两个柱体组合结合进行网格划分(如图5所示)，并对消融针以及肝脏组织部分的网格进行细化。利用准静电场模型以及Pennes生物传热模型进行耦合计算，从而获得温度场时空信息，如图6所示。
控制方程如下所示：
其中，ρ是密度,c是比热容,k是导热率，σ是导电率，t代表时间，下标b表示血液，为了增加模型的准确性，根据文献研究以及实验测量，可以将组织的热力学和电学性质设置为温度的函数。qm为组织新陈代谢产生热量，是一个与温度有关的参数，但是由于其产生热量相比于射频加热能量很小，在绝大部分研究中可以忽略。T是组织温度，Tb是血液温度，通常设定为37℃。ωb是血流灌注率，它可由以下方程描述：
除此之外，ωb也可以设置为组织损伤程度的函数。
本实施例中，建模所使用的各参数如表1所示。
表1
结构 密度(kg/m3) 比热容(J/kg·K) 导热率(W/m·K) 导电率(S/m)
肝脏组织 1060 3600 0.52 0.53
个体躯干 1060 3600 0.52 0.365*
消融针的有效部分 6450 840 18 1e8
消融针的绝缘部分 70 1045 0.026 1e-5
*个体躯干导电率由测量到的总阻抗决定
综上所述，一方面，本申请通过巧妙设计简单几何结构，省去了繁琐的皮肤、组织分割重建步骤，可以减轻建模负担，加快建模速度，降低计算耗时；另一方面，本申请充分考虑个体阻抗的差异性，如图7、图8所示，本申请预测的温度数据和实验测量的数据对比以及二者之间仅存在3.8％的差异性，而现有技术的模型预测的温度数据和实验测量的数据存在5.8％的差异性，可以证明相比于现有技术的模型本申请提出的温度场预测方法取得了更加良好的效果。
图7是本实施例建立的模型以及现有技术的模型预测的温度与活体小猪肝脏射频消融实验测量的温度对比图，其中Tc是射频探针尖端测量的温度，T1和T2是两根热电偶(位置不同)插入活体小猪体内测量的温度。在图7中，附图标记71代表现有技术模型的Tc曲线，附图标记72代表现有技术模型的T1曲线，附图标记73代表现有技术模型的T2曲线，附图标记74代表本申请实施例模型的Tc曲线，附图标记75代表本申请实施例模型的T1曲线，附图标记76代表本申请实施例模型的T2曲线，附图标记77代表实验测量的Tc曲线(方形数据点)，附图标记78代表本申请实施例模型的T1曲线(圆形数据点)，附图标记79代表本申请实施例模型的T2曲线(三角形数据点)。从图7可以看出，本申请实施例的曲线与实验数据明显更为接近。
图8是本实施例建立的模型以及现有技术的模型预测的温度与实验测量的温度误差比较图。其中，附图标记81代表现有技术模型的Tc误差百分比曲线，附图标记82代表现有技术模型的T1误差百分比曲线，附图标记83代表现有技术模型的T2误差百分比曲线，附图标记84代表本申请实施例模型的Tc误差百分比曲线，附图标记85代表本申请实施例模型的T1误差百分比曲线，附图标记86代表本申请实施例模型的T2误差百分比曲线。从图8可以看出，本申请实施例的误差百分比曲线明显更X轴，误差明显更小。
另外通过对其他阻抗和功率的条件进行消融区域体积预测，如表2所示，若不考虑阻抗大小现有技术的模型会大大的高估或低估消融区域。这表明本申请考虑实际阻抗后会大大提高温度分布预测的准确性，有助于制定更精确的临床射频治疗计划或预测治疗结果。
表2本实施例提出的模型与现有技术的模型预测消融区域体积对比结果
本申请第二实施方式涉及一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统。该基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统包括：
第一区域建立单元，用于建立第一区域。
第二区域建立单元，用于取得消融针位置，以消融针为中心，在第一区域内建立第二区域。
导电率设置单元，用于保持第二区域内的导电率恒定，调整第一区域的导电率，使得消融针与地极之间的阻抗与治疗系统实际测得的个体真实阻抗一致。
计算单元，对第一区域和第二区域的组合体进行网格划分，利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算，从而获得温度场时空信息。
第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节(例如第一和第二区域的形状和大小、射频场模型、生物传热模型、数值计算方法等等)在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
需要说明的是，本领域技术人员应当理解，上述基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统的实施方式中所示的各模块的实现功能可参照前述基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法的相关描述而理解。上述基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统的实施方式中所示的各模块的功能可通过运行于处理器上的程序(可执行指令)而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。本申请实施方式上述基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施方式的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本申请实施方式不限制于任何特定的硬件和软件结合。
相应地，本申请实施方式还提供一种计算机存储介质，其中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现本申请的各方法实施方式。
此外，本申请实施方式还提供一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统，其中包括用于存储计算机可执行指令的存储器，以及，处理器；该处理器用于在执行该存储器中的计算机可执行指令时实现上述方法实施方式中的步骤。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本申请提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本申请的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，其特征在于，包括：
建立第一区域；
取得消融针位置，以消融针为中心，在所述第一区域内建立第二区域；
所述第二区域内的导电率保持恒定，调整所述第一区域的导电率，使得所述消融针与地极之间的阻抗与治疗系统实际测得的个体真实阻抗一致；
对所述第一区域和第二区域的组合体进行网格划分，利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算，从而获得温度场时空信息。
2.根据权利要求1所述的基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，其特征在于，所述第一区域为椭圆柱体，所述第二区域为圆柱体。
3.根据权利要求1所述的基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，其特征在于，所述第二区域覆盖所述消融针的消融范围。
4.根据权利要求1所述的基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，其特征在于，所述消融针是单极、或双极、或多极消融针。
5.根据权利要求1所述的基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，其特征在于，所述消融针垂直插入所述第一区域。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，其特征在于，所述射频场模型采用准静电场模型。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，其特征在于，所述生物传热模型采用Pennes生物传热模型。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的基于个体阻抗的射频加热温度场预测方法，其特征在于，所述利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算的步骤中，采用有限元方法进行数值计算。
9.一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统，其特征在于，包括：
第一区域建立单元，用于建立第一区域；
第二区域建立单元，用于取得消融针位置，以消融针为中心，在所述第一区域内建立第二区域；
导电率设置单元，用于保持所述第二区域内的导电率恒定，调整所述第一区域的导电率，使得所述消融针与地极之间的阻抗与治疗系统实际测得的个体真实阻抗一致；
计算单元，对所述第一区域和第二区域的组合体进行网格划分，利用射频场模型和生物传热模型进行耦合计算，从而获得温度场时空信息。
10.一种基于个体阻抗的射频加热温度场预测系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行所述计算机可执行指令时实现如权利要求1至8中任意一项所述的方法中的步骤。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1至8中任意一项所述的方法中的步骤。
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Denomination of invention: Individual-impedance-based radio frequency heating temperature field prediction method and system

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