CN110263489A - 基于dicom数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，包括如下步骤：步骤1，基于DICOM数据重建并修复肿瘤和血管模型，将其导入多物理场仿真模块中，选定工作平面画出消融针结构图，构建仿真几何模型；步骤2，对仿真几何模型中的计算域设定不同材料及参数，其具体材料种类分为：肝脏，肿瘤，PTFE；步骤3，构建耦合电磁波辐射模型及生物传热模型；步骤4，根据步骤3构建的模型，依据设定的微波频率对仿真几何模型划分网格，设定求解器求解方法；步骤5，对求解得到的仿真数据进行可视化处理，得到温度场分布数据。此种仿真方法可利用病人术前影像数据，建立三维有限元仿真模型，计算消融热场，指导手术方案的制定。
Description
技术领域
本发明属于有限元仿真领域，特别涉及一种基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法。
背景技术
肝肿瘤是一种常见的腹部恶性肿瘤，微波消融作为针对该肿瘤的一种有效治疗方法已被纳入NCCN(美国国立综合癌症网络)治疗指南中。其术前方案制定涉及消融热剂量(消融功率、消融时间)设定以及消融针穿刺路径规划。此两点规划有赖于离体消融模型的体积实验数据和临床医生穿刺消融针的经验，缺乏针对不同病人的精准手术方案以及针对穿刺经验较少的临床医生的指导。
现有的肝肿瘤微波消融仿真方法多是基于二维轴对称几何模型，忽略在体消融时血管以及血流灌注的影响，计算得出的是完全对称的消融热场。因此如何在术前根据不同病人建立不同的消融模型，充分模拟出血管以及在体消融时血流灌注对消融结果的影响，调整热剂量以及进针方式，观察仿真消融热场分布，对手术计划的制定具有指导意义。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其可利用病人术前影像数据，建立三维有限元仿真模型，计算消融热场，指导手术方案的制定。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，包括如下步骤：
步骤1，基于DICOM数据重建并修复肿瘤和血管模型，将其导入多物理场仿真模块中，选定工作平面画出消融针结构图，构建仿真几何模型；
步骤2，对仿真几何模型中的计算域设定不同材料及参数，其具体材料种类分为：肝脏，肿瘤，PTFE；
步骤3，构建耦合电磁波辐射模型及生物传热模型；
步骤4，根据步骤3构建的模型，依据设定的微波频率对仿真几何模型划分网格，设定求解器求解方法；
步骤5，对求解得到的仿真数据进行可视化处理，得到温度场分布数据。
采用上述方案后，本发明可以解决现有二维轴对称仿真方法中无法真实反映不同病人在相同热剂量下消融疗效差异的问题，能够对不同病人建立个性化三维有限元仿真模型，并采用动态生物材料参数计算得出温度场分布，得出与真实消融过程更为一致的预测模型，可仿真消融针不同穿刺路径的消融效果用以指导手术计划，有助于手术方案的制定。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明构建的几何模型图；
图3是本发明有限元模型图；
图4是本发明仿真结果，显示为50W，600s消融热剂量下肿瘤表面温度分布图；
图5(a)是本发明仿真结果，显示为50W，300s消融热剂量下，肿瘤切面温度场分布图；图5(b)是本发明仿真结果，显示为50W，300s消融热剂量下，肿瘤切面温度场及其60℃等温线范围图；
图6(a)是本发明仿真结果，显示为50W，600s消融热剂量下，肿瘤切面温度场分布图；图6(b)是本发明仿真结果，显示为50W，600s消融热剂量下，肿瘤切面温度场及其60℃等温线范围图；
图7是本发明在距离肿瘤及消融针不同位置处设定的4个测温点示意图；
图8是本发明在距离肿瘤及消融针不同位置处设定的4个测温点在50W消融功率下，600s内的温升曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，以腹部CT，临近血管处肝肿瘤模型为例，包括以下步骤：
(一)在多物理场仿真模块中导入经DICOM数据重建并修复后的肿瘤和血管模型，选定工作平面画出消融针结构图，构建仿真几何模型；
1)基于DICOM数据重建肿瘤和血管的三维模型；
2)重建后的模型经过逆向建模模块Geomagic Studio修复，得出表面光滑且网格质量高的三维肿瘤和血管模型；
3)将肿瘤和血管模型导入多物理场仿真模块COMSOL Multiphsics中，设定相对简化容差为0.1，进一步修复网格并且生成实体；
4)在工作平面上建立二维轴对称消融针模型，旋转得出三维消融针几何模型，消融针内外导体简化为理想电导体边界，保留PTFE(聚四氟乙烯)介质为计算域；
5)以球形表征肝脏，本实施例设定球形半径为40mm，构建的几何模型如图2所示；
(二)对模型中计算域设定不同材料及参数，其具体材料种类分为：肝脏，肿瘤，PTFE(聚四氟乙烯)；
1)设定肝脏/肿瘤的比热容CP，热导率k，密度ρ分别为：
生物组织相对介电常数ε，电导率σ随温度变化规律符合以下公式(记为f(T))，将肝脏和肿瘤的参数分别记为εliver，σliver，εtumor，σtumor，系数如表1所示：
表1
2)设定PTFE(聚四氟乙烯)介质参数为：εPTFE＝2，σPTFE＝0；
(三)耦合电磁波辐射模型与生物传热模型；
1)肝组织及肿瘤内平面横向磁场波动方程为：
其中，▽用于求解向量的梯度，μr为相对磁导率，E为电场强度，k0为自由空间波数，ε为组织的相对介电常数，σ为组织电导率，ω为角频率，ε0为真空介电常数。
2)将消融针内外导体简化为理想电导体边界；
3)消融针顶端设定为同轴端口，并定义输入能量大小：2450MHz微波频率下50W消融功率；
4)肝脏及血管外表面设定为电磁波散射边界；
5)肝组织及肿瘤内生物传热方程为：
其中，ρ为组织密度，Cp为组织比热容，ωb为血流灌注率，k为组织热导率，Q为外部产热，Qbio为组织新陈代谢产热，T代表温度。
6)生物组织对微波吸收由组织比吸收率SAR计算得出：
7)生物组织新陈代谢产热记为0，电磁产热记为：
8)定义消融针外表面为20℃，血管外表面为37℃，以分别模拟消融针水冷和血管热沉积效应；
9)对肝脏和肿瘤分别设定血流灌注率为0.016s-1，0.005s-1；
(四)对几何模型划分网格，设定求解器求解方法；
1)耦合电磁波辐射模型与生物传热模型后，依据设定的微波频率划分有限单元网格，通常最大的单元网格不超过波长的0.2倍，可根据计算要求做出适当调整。本实施例中对所有域设定网格大小为Fine，最大单元尺寸与最小单元尺寸分别为6.8mm，0.85mm，观察网格划分结果，若存在低质量网络，可局部再细分，构建的有限元模型如图3所示；
2)添加时域研究步骤，600s内步长10s，以直接求解器的方法求解；
(五)对仿真数据可视化处理，得出温度场分布数据；
1)肿瘤外表面温度场分布；如图4所示，下方临近血管处，表面温度低于60℃，表明消融不完全，需要调整热剂量或者插针方式；
2)肿瘤多平面内观察温度场分布；图5(a)显示的是300s消融时长下一切面的温度分布图，图5(b)所示含有60℃等温线的温度分布图，可见等温线(外圈黑线)未超过肿瘤边界(内圈黑线)10mm，表明300s的消融时长不足以覆盖此肿瘤范围，需延长消融时间；图6(a)显示的是600s消融时长下一切面的温度分布图，图6(b)所示600s的消融时长下60℃等温线除临近血管处较为狭窄，其余均覆盖整个肿瘤边界，消融效果较好。可进一步调整切面位置观察温度场分布；
3)设定距离肿瘤和消融针不同距离的测温点观察消融效果，图7为设定的4个测温点示意图，图8为测温点温升曲线，可见2，3点距离消融针较近，最终温度超过60℃，达到消融效果，而1，4点由于收到血管热沉积效应的影响，温升曲线较慢，且均未超过60℃，表明手术方案需做调整。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，基于DICOM数据重建并修复肿瘤和血管模型，将其导入多物理场仿真模块中，选定工作平面画出消融针结构图，构建仿真几何模型；
步骤2，对仿真几何模型中的计算域设定不同材料及参数，其具体材料种类分为：肝脏，肿瘤，PTFE；
步骤3，构建耦合电磁波辐射模型及生物传热模型；
步骤4，根据步骤3构建的模型，依据设定的微波频率对仿真几何模型划分网格，设定求解器求解方法；
步骤5，对求解得到的仿真数据进行可视化处理，得到温度场分布数据。
2.如权利要求1所述的基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程是：
步骤11，基于DICOM数据重建肿瘤和血管的三维模型；
步骤12，对步骤11重建的三维模型经过逆向建模模块Geomagic Studio修复，得出表面光滑且网格质量高的三维肿瘤和血管模型；
步骤13，将肿瘤和血管模型导入多物理场仿真模块COMSOL Multiphsics中，设定相对简化容差，进一步修复网格并生成实体；
步骤14，在工作平面上建立二维轴对称消融针模型，旋转得出三维消融针几何模型，消融针内外导体简化为理想电导体边界，保留PTFE介质为计算域；
步骤15，以球形表征肝脏，构建几何模型。
3.如权利要求1所述的基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于：所述步骤2中，各参数设定如下：
设定肝脏/肿瘤的比热容CP，热导率k，密度ρ分别为：
生物组织相对介电常数ε，电导率σ随温度变化规律符合公式f(T)，将肝脏和肿瘤的参数分别记为εliver，σliver，εtumor，σtumor，系数如表1所示：
表1
设定PTFE介质参数为：εPTFE＝2，σPTFE＝0。
4.如权利要求1所述的基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程是：
步骤31，肝组织及肿瘤内平面横向磁场波动方程为：
其中，用于求解向量的梯度，μr为相对磁导率，E为电场强度，k0为自由空间波数，ε为组织的相对介电常数，σ为组织电导率，ω为角频率，ε0为真空介电常数；
步骤32，将消融针内外导体简化为理想电导体边界；消融针顶端设定为同轴端口，并定义输入能量大小；肝脏及血管外表面设定为电磁波散射边界；
步骤33，肝组织及肿瘤内生物传热方程为：
其中，ρ为组织密度，Cp为组织比热容，ωb为血流灌注率，k为组织热导率，Q为外部产热，Qbio为组织新陈代谢产热，T代表温度；
步骤34，生物组织对微波吸收由组织比吸收率SAR计算得出：
步骤35，生物组织新陈代谢产热记为0，电磁产热记为：
5.如权利要求1所述的基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程是：
步骤41，依据耦合电磁波辐射模型与生物传热模型中设定的微波频率划分有限单元网格，观察网格划分结果，若存在低质量网络，则进行局部再细分，最终得到构建的有限元模型；
步骤42，进行时域研究，以直接求解器的方法求解。
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