CN110974412B - 基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置 - Google Patents

基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置，该方法可以根据获得的组织在微波消融过程中的温度(T)实时估测出组织的硬度参数(杨氏模量，E)。本发明首先通过搭建离体猪肝微波消融温度和杨氏模量实时同步采集系统，获得大量微波消融过程中的T和E同步变化数据；然后，通过数据拟合建立多组E‑T关系方程，获得最终的E‑T关系模型。本发明建立了T和E之间的关联，可通过测量组织的温度进而计算出组织的硬度参数。本发明对评判肿瘤微波消融的实时疗效具有重大意义，对建立多模态肿瘤微波消融疗效评估体系有重要价值。

Description

基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置
技术领域
本发明属于微波消融疗效评估技术领域，特别涉及一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置。
背景技术
微波热消融疗法因其疗效明显、微创、毒副作用小、并发症少等优势，被认为是继手术、化疗、放疗、免疫治疗等后又一类新型有效的恶性肿瘤治疗的方法，在临床肿瘤治疗中已经发挥了巨大的作用，已经广泛用于肝癌、肺癌、肾癌、甲状腺癌、肠癌、子宫肌瘤等常见肿瘤。但是，微波肿瘤热消融中仍存在许多需要解决的科学及技术问题，其中最主要的之一就是微波消融治疗中实时疗效评估问题。目前临床上主要把温度作为肿瘤细胞灭活的判定因子，还不能正确反应肿瘤组织的消融程度，仅温度测量也无法实时获取消融过程中肿瘤组织的其他相关参数，包括蛋白质凝固程度、组织硬度等。寻找更为准确的多参数综合评估因子实现疗效实时评估成为精准消融的关键。
微波消融下生物组织的热损伤是与温度和时间有关的动态变化过程，其本质上是消融过程中蛋白质变性并逐步凝固的过程。生物组织的硬度(杨氏模量E)也随组织逐渐凝固而动态变化。越来越多的学者使用杨氏模量(E)来评估微波消融的功效。目前临床上杨氏模量实时测量主要通过多普勒彩色超声仪实现，但由于仪器价格昂贵，体积庞大，并不能大面积推广。测温设备如测温针则成本低廉，制作简易，小巧便携。
大量研究表明，组织的温度与杨氏模量有关，生物组织在温度升高过程中，机械弹性(硬度)会随温度变化而变化。
目前尚没有微波消融过程中温度和杨氏模量的有效关系模型。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法及其装置，该方法建立了一种有效的E-T关系模型。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法，根据获得的组织在微波消融过程中的温度T实时估测出组织的硬度E，包括以下步骤：
S1、搭建微波消融温度和杨氏模量同步实时采集系统；
S2、获得不同消融剂量下的T和E同步变化数据；
S3、通过多项式数据拟合建立多组E-T关系方程，根据得到的各组关系方程的决定系数(拟合优度，R2)，剔除R2<0.9的关系方程；
S4、利用满足R2≥0.9的多组E-T关系方程，求平均得到最终的E-T关系模型；
S5、检验所建立的E-T关系模型，确定误差范围。
进一步的，所述步骤S1中，搭建的微波消融温度和杨氏模量同步实时采集系统包括：微波消融模块、温度测量模块、杨氏模量测量模块和数据存储模块。
进一步的，所述微波消融模块包括微波源7和微波消融针5；温度测量模块包括测温针3；杨氏模量测量模块包括彩色多普勒超声仪8和超声探头4；数据存储模块包括主控板1和PC机2。
进一步的，所述微波消融模块包括2450MHZ微波源和KY-2450-B1微波消融针；温度测量模块包括测温针；杨氏模量测量模块包括Resona7彩色多普勒超声仪和L11-3U线阵超声探头；数据存储模块包括主控板和PC机。
进一步的，所述步骤S2中，不同消融剂量即选择不同的消融功率和时间组合，搭配不同的测温针与消融针间距；在开始消融的同时启动温度测量模块和杨氏模量测量模块。
进一步的，在多组数据获取实验中，消融功率从50W，60W和70W中选择，消融时间分别为3min，5min和8min；测温针与微波消融针之间的距离选择为0.2cm，0.5cm，1cm，1.5cm；任意搭配消融功率、时间和距离，在开始消融的同时启动温度测量模块和杨氏模量测量模块。
进一步的，所述步骤S3中，每一组实验数据的E-T关系方程及其决定系数利用多项式拟合的方法得到，剔除R2<0.9的关系方程后满足要求的实验组数为k，即有k个E-T关系方程，关系方程记做yn(n＝1,2,3,...k)，其中：yn为第n组实验获得的第n个E-T关系方程。
进一步的，所述步骤S4中，E-T关系模型Y由k组关系方程求平均得到，计算公式如下：
Figure GDA0002698361420000021
进一步的，所述步骤S5中，模型检验是指利用未参与模型建立的样本检验所建立E-T模型方程的可靠性，确定最大绝对误差，最小绝对误差和平均绝对误差。
一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，包括依次连接的测温针3、主控板1和PC机2，还包括依次连接的微波消融针5和微波源7，所述测温针3和微波消融针5插入离体猪肝6内，超声探头4贴于离体猪肝6的表面，所述超声探头4与多普勒超声仪8相接。
进一步的，所述测温针3和微波消融针5在离体猪肝6内平行设置。
优选的，所述超声探头4为L11-3U线阵超声探头，所述微波消融针5为KY-2450-B1微波消融针，所述微波源7为2450MHZ微波源，所述多普勒超声仪8为Resona7彩色多普勒超声仪。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明建立了一种有效的E-T关系模型，可通过实时获取的组织温度估测出组织的硬度参数即杨氏模量，在不具备多普勒彩色超声仪的条件下通过价格低廉操作简便的测温设备也可获得较为准确的杨氏模量。
2、本发明对微波热消融术中实时疗效评估有重要的参考价值，对建立多参数微波热消融术中实时疗效评估体系有重要的参考意义。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法流程图；
图2是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法所涉及的离体猪肝微波消融温度和杨氏模量实时同步采集装置的原理图；
图3是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法中一组消融实验E与T数据实时变化及拟合示例；
图4是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法中所构建的E与T关系模型方程曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法的流程图，包括以下步骤：
S1、搭建微波消融温度和杨氏模量同步实时采集系统；
S2、获得不同消融剂量下的T和E同步变化数据；
S3、通过多项式数据拟合建立多组E-T关系方程，根据得到的各组关系方程的决定系数(拟合优度，R2)，剔除R2<0.9的关系方程；
S4、利用满足R2≥0.9的多组E-T关系方程，求平均得到最终的E-T关系模型；
S5、检验所建立的E-T关系模型，确定误差范围，具体地讲，所述步骤S5中，模型检验是指利用未参与模型建立的样本检验所建立E-T模型方程的可靠性，确定最大绝对误差，最小绝对误差和平均绝对误差。
如图2所示是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法所涉及的离体猪肝微波消融温度和杨氏模量实时同步采集装置的原理图；优选地，1为主控板，2为PC机，3为测温针，4为L11-3U线阵超声探头，5为KY-2450-B1微波消融针，6离体猪肝，7为2450MHZ微波源，8为Resona7彩色多普勒超声仪。
微波消融模块包括2450MHZ微波源和KY-2450-B1微波消融针；温度测量模块包括Y型测温针；杨氏模量测量模块包括Resona7彩色多普勒超声仪和L11-3U线阵超声探头；数据存储模块包括主控板和PC机。
在实验前，将微波消融针5插入离体猪肝8cm，以确保整个消融区在肝实质内；将测温针3插入离体猪肝7cm并与微波消融针5平行放置；将超声探头4靠近离体猪肝的上表面放置，并且超声探头4的中心与测温针3的前端重合；在多组数据获取实验中，消融功率从50W，60W和70W中选择，消融时间分别为3min，5min和8min。测温针与微波消融针之间的距离选择为0.2cm，0.5cm，1cm，1.5cm；任意搭配消融功率、时间和距离，在开始消融的同时启动温度测量模块和杨氏模量测量模块。
如图3所示是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法中某一组消融实验E与T数据实时变化(图3A)及拟合示例(图3B)；所述每一组实验数据的E-T关系方程及其决定系数R2(0<R2<1)可以利用多项式拟合的方法得到，拟合结果表明E与T在三界多项式拟合上具有相对最高的拟合优度(R2更接近1)；图3即消融功率为50w，消融时间为5min，距离消融针能量辐射点0.5cm处的E和T实时变化(图3A)和拟合得到的关系方程曲线(图3B)，其通过多项式数据拟合出的公式为：
y＝-0.001x3+0.1982x2-9.6182x+172.29
R2＝0.9797，其中：x为T，y为E。
如图4所示是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法中所构建的E与T关系模型方程曲线；所述E-T关系模型Y计算公式如下：
Figure GDA0002698361420000051
代入k组实验获得的k个三阶关系方程，即可得到最终的E-T关系模型方程；本发明基于30组实验得到E-T关系模型通用方程Y如下：
Y＝-0.002x3+0.343x2-15.307x+225.843
如表1所示是本发明的实施例所提供的一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估方法的某一组测试数据的模型检验误差示例。
将6组未参与模型构建的样本数据中的T代入E-T关系模型公式Y，即可计算出相应区域段的E平均值。将实际的E平均值与通过关系模型公式计算出的E平均值进行比较，获得相应的误差以检验关系模型的可靠性。通过计算，本发明中的E-T模型的最大绝对误差为39.29Kpa，最小绝对误差为0.72Kpa，平均绝对误差为16.15Kpa，与Resona7彩色多普勒超声仪的SD值(标准误差值，可达到50Kpa甚至更高)相比该模型误差处于可信范围内。其中一组误差检验结果如表1所示。
表1
Figure GDA0002698361420000052
Figure GDA0002698361420000061
此外本发明还提出了一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，包括依次连接的测温针3、主控板1和PC机2，还包括依次连接的微波消融针5和微波源7，所述测温针3和微波消融针5插入离体猪肝6内，超声探头4贴于离体猪肝6的表面，所述超声探头4与多普勒超声仪8相接，所述测温针3和微波消融针5在离体猪肝6内平行设置。优选地，所述超声探头4为L11-3U线阵超声探头，所述微波消融针5为KY-2450-B1微波消融针，所述微波源7为2450MHZ微波源，所述多普勒超声仪8为Resona7彩色多普勒超声仪。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，评估装置包括依次连接的测温针(3)、主控板(1)和PC机(2)，还包括依次连接的微波消融针(5)和微波源(7)，所述测温针(3)和微波消融针(5)插入离体猪肝(6)内，超声探头(4)贴于离体猪肝(6)的表面，所述超声探头(4)与多普勒超声仪(8)相接；
所述评估装置根据获得的组织在微波消融过程中的温度T实时估测出组织的硬度E，包括以下步骤：
S1、搭建微波消融温度和杨氏模量同步实时采集系统；
S2、获得不同消融剂量下的T和E同步变化数据；
S3、通过多项式数据拟合建立多组E-T关系方程，根据得到的各组关系方程的决定系数，即拟合优度R2，剔除R2<0.9的关系方程；
S4、利用满足R2≥0.9的多组E-T关系方程，求平均得到最终的E-T关系模型；
S5、检验所建立的E-T关系模型，确定误差范围。
2.根据权利要求1所述的基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，所述步骤S1中，搭建的微波消融温度和杨氏模量同步实时采集系统包括：微波消融模块、温度测量模块、杨氏模量测量模块和数据存储模块。
3.根据权利要求2所述的基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，所述微波消融模块包括微波源(7)和微波消融针(5)；温度测量模块包括测温针(3)；杨氏模量测量模块包括彩色多普勒超声仪(8)和超声探头(4)；数据存储模块包括主控板(1)和PC机(2)。
4.根据权利要求3所述的基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，所述微波消融模块包括2450MHZ微波源和KY-2450-B1微波消融针；温度测量模块包括测温针；杨氏模量测量模块包括Resona7彩色多普勒超声仪和L11-3U线阵超声探头；数据存储模块包括主控板和PC机。
5.根据权利要求1所述的基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，所述步骤S2中，不同消融剂量即选择不同的消融功率和时间组合，搭配不同的测温针与消融针间距；在开始消融的同时启动温度测量模块和杨氏模量测量模块。
6.根据权利要求1所述的基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，在多组数据获取实验中，消融功率从50W，60W和70W中选择，消融时间分别为3min，5min和8min；测温针与微波消融针之间的距离选择为0.2cm，0.5cm，1cm，1.5cm；任意搭配消融功率、时间和距离，在开始消融的同时启动温度测量模块和杨氏模量测量模块。
7.根据权利要求1所述的基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，所述步骤S3中，每一组实验数据的E-T关系方程及其决定系数利用多项式拟合的方法得到，剔除R2<0.9的关系方程后满足要求的实验组数为k，即有k个E-T关系方程，关系方程记做yn(n＝1,2,3,...k)，其中：yn为第n组实验获得的第n个E-T关系方程。
8.根据权利要求7所述的基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，所述步骤S4中，E-T关系模型Y由k组关系方程求平均得到，计算公式如下：
Figure FDA0002698361410000021
9.根据权利要求1所述的基于温度的微波消融组织杨氏模量实时评估装置，其特征在于，所述测温针(3)和微波消融针(5)在离体猪肝(6)内平行设置。
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