CN111685870A - 一种用于肝脏的微波消融碳化调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于肝脏的微波消融碳化调控方法，包括以下步骤：S1、肝脏微波消融仿真模型构建，采用二维轴对称组件进行消融针、肝脏仿真几何模型构建；S2、电磁辐射与生物热传导参数设置；S3、输入功率与时间的调频调幅函数，设定消融时间，开始仿真消融；S4、对仿真数据可视化处理，绘制仿真全过程温度场图像；S5、搭建离体肝脏微波消融系统，开始消融；S6、对比实验结果与仿真结果以进行判断。该方法能够实现消融体积大，消融时间短的消融过程，并且达到少碳化、甚至无碳化的消融治疗效果。

Description

一种用于肝脏的微波消融碳化调控方法

技术领域

本发明涉及医疗领域，尤其涉及一种用于肝脏的微波消融碳化调控方法。

背景技术

微波热消融技术以其温度高、组织穿透性强、消融范围大、微创、可实现多点消融等优势，已经广泛用于肝癌、肺癌、肾癌等实体肿瘤治疗。微波消融术以肿瘤常规治疗技术被纳入国际(NCCN)与国内肿瘤治疗指南，全国500余家医院在临床上开展应用。目前的微波消融临床治疗会导致消融中心区域组织因高温而碳化，碳化区域的形成会对消融效果造成一些副作用，包括：碳化区域与消融针粘连，拔出消融针时对肝组织造成二次损伤；碳化区域会阻碍天线热量的传输，限制消融治疗范围；碳化组织留在人体会导致病人术后发热、发炎。目前尚无较好的碳化调控方面的技术，因此如何基于对微波传输功率的控制，且根据结果反馈及时调整，以实现病人微波消融区域的少碳化、甚至无碳化，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于肝脏的微波消融碳化调控方法，本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于肝脏的微波消融碳化调控方法，包括以下步骤：

S1、肝脏微波消融仿真模型构建，采用二维轴对称组件进行消融针、肝脏仿真几何模型构建，选定二维轴对称组件，设定长度单位为mm，构建肝脏消融模型；

S2、电磁辐射与生物热传导参数设置；

S3、输入功率与时间的调频调幅函数，设定消融时间，开始仿真消融；

S4、对仿真数据可视化处理，得到温度场分布数据，绘制仿真全过程温度场图像；

S5、搭建离体肝脏微波消融系统，上位机可实现微波消融连续模式与调频调幅模式输出，对微波源功率设置与仿真最佳函数模型一致的输出模式，开始消融；

S6、对比实验结果与仿真结果以进行判断，以消融长径误差小于等于±5mm，消融短径小于等于±3mm，以碳化区域最大宽度误差小于等于2mm为标准继续判断，若满足此标准，则此调频调幅模型有效，若不满足此标准，则需要对函数模型进行修正直至满足此标准。

优选的，步骤S1包括以下步骤：

S11、消融针按照KY-2450A消融针的结构进行仿真设计，针体包括穿刺头、不锈钢套管、同轴电缆和绝缘介质套四个部分，其中同轴电缆包括内导体、绝缘介质和外导体；

S12、简化模型将穿刺头和同轴电缆的内导体合并为一个域，同轴电缆的绝缘介质和绝缘介质套合并为一个域，肝脏为一个域，其它设为理想电导体边界，构建出二维轴对称模型肝脏微波消融几何图形。

优选的，步骤S2包括以下步骤：

S21、电磁辐射域包括肝脏和消融针材料部分，首先设定肝脏的恒压热容Cp，导热系数к，密度ρ，相对介电常数ε_r，电导率σ分别为：

κ＝0.512 293.15≦T≦473.15

293.15≦T≦403.15

293.15≦T≦473.15；

S22、设置消融针材料参数ε_PTFE＝2，σ_PTFE＝0；

S23、设定消融针内外导体及不锈钢套管边界温度T₀＝293.15，模拟消融水冷效果。

优选的，步骤S4包括以下步骤：

S41、画出55度、130度等温线，根据消融区域的碳化程度修正函数模型。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

根据消融中心碳化区域的碳化程度反馈更改调频调幅模式，组织加热的过程除了与其结构相关，而且与微波功率输出相关，确定最适合的调频调幅模式，可以实现消融体积大，消融时间短的消融过程，并且达到少碳化、甚至无碳化的消融治疗效果。

附图说明

图1为本发明的用于肝脏的微波消融碳化调控方法的流程图；

图2为本发明的构建的二维轴对称模型肝脏微波消融几何图；

图3为本发明的微波消融连续模式以60W消融600s仿真结果图；

图4为本发明的微波消融连续模式以60W消融600s猪肝离体实验结果图；

图5为本发明的微波消融仿真调频调幅模式、功率输出函数；

图6为本发明的微波消融调频调幅模式温度场结果；

图7为本发明的微波消融调频调幅模式下消融中心区域基本无碳化结果图；

图8为本发明的微波消融调频调幅模式下仿真结果与离体微波消融实验结果对比图。

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，本发明提出一种用于肝脏的微波消融碳化调控方法的流程图，以肝脏微波消融二维仿真模型为例，包括以下步骤：

S1、肝脏微波消融仿真模型构建；通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics，采用二维轴对称组件进行消融针、肝脏仿真几何模型构建，包括：

1.选定二维轴对称组件，设定长度单位为mm；

2.构建肝脏消融模型，主要分为肝脏和消融针针体。消融针按照KY-2450A消融针的结构进行仿真设计，针体包括穿刺头(前端11mm)、不锈钢套管(直径1.9mm)、同轴电缆(包括内导体、绝缘介质和外导体)和绝缘介质套(PTFE)四个部分，简化模型将穿刺头和同轴电缆的内导体合并为一个域，同轴电缆的绝缘介质和绝缘介质套合并为一个域，肝脏为一个域，其它设为理想电导体边界，构建出二维轴对称模型肝脏微波消融几何图形，如图2所示。

S2、电磁辐射与生物热传导参数设置，对S1中划分的域设定相应材料参数，其参数为随温度T(K)变化的动态参数，包括：

1.电磁辐射域包括肝脏和PTFE材料部分，首先设定肝脏的恒压热容Cp，导热系数к，密度ρ，相对介电常数ε_r，电导率σ分别为：

κ＝0.512 293.15≦T≦473.15

2.设置消融针材料(PTFE聚四氟乙烯)参数ε_PTFE＝2，σ_PTFE＝0；

3.设定消融针内外导体及不锈钢套管边界温度T₀＝293.15，模拟消融水冷效果。

S3、输入功率与时间的调频调幅函数，设定消融时间，开始仿真消融，包括：

1.消融针顶端设置微波传输端口为同轴端口，并设置微波频率为2450MHz；

2.如图5所示，在电磁场输入端口输入预先设定的调频调幅函数an4，在此调频调幅功率输出模式下，前77s里，高功率为80W持续3s，低功率40W持续4s，周期T为7s实现消融区域快速加热，后77-600s高功率65W持续3s，低功率25W持续4s，周期T为7s保持温度缓慢加热扩大消融区域。有效控制消融中心温度在一定范围内。

公式可表示为：

an1＝0*(t>＝0&&t<＝4)+1*(t>＝4&&t<＝7)

an2＝40*an1(t)+40

an3＝0*(t>＝0&&t<＝77)+(-15)*(t>＝77&&t<＝600)

an4＝an2(t)+an3(t)

3.添加时域研究步骤，设定消融时间10min，步长1s，并保存每秒求解并保存每秒的结果，开始消融。

S4、对仿真数据可视化处理，得到温度场分布数据；绘制仿真全过程温度场图像，画出55度、130度等温线，55度范围以内的表示有效消融体积，而高于130度的中心区域表示碳化区域，根据消融区域的碳化程度修正函数模，即消融中心区域若有较大碳化区域，则需要改变调频调幅模式功率输出大小、时间、占空比，在保证较大消融体积，较短消融时间的前提下，实现更好的消融中心区域无碳化，少碳化的消融治疗效果。如图3所示，为连续模式下以60W功率消融600s仿真结果图。如图4所示，为微波消融连续模式以60W功率消融600s猪肝离体实验结果图，最中间黑色部分为碳化区。如图6所示，是在图5调频调幅功率模式an4下得到消融结果。将图6调频调幅模式消融区域与图3连续模式消融区域碳化程度进行对比，连续模式碳化区域最大直径在10mm左右，而调频调幅模式下最大直径控制在6mm左右，明显有效地较少了消融中心的碳化区域，达到了更好的消融效果。在此消融模式下，根据碳化温度反馈更改函数为前105s里，高功率为48W持续3s，低功率23W持续4s，周期T为7s实现消融区域快速加热，后105-600s高功率36W持续3s，低功率11W持续4s，周期T为7s保持温度缓慢加热扩大消融区域。在此函数an8下可实现一定消融体积下消融区域基本无碳化，实现消融碳化区域最大宽度小于6mm的要求，如图7所示。公式可表示为：

an5＝0*(t>＝0&&t<＝4)+1*(t>＝4&&t<＝7)

an6＝25*an5(t)+15

an7＝8*(t>＝0&&t<＝105)+(-4)*(t>＝105&&t<＝600)

an8＝an6(t)+an7(t)

S5、搭建离体肝脏微波消融系统，上位机可实现微波消融连续模式与调频调幅模式输出，对微波源功率设置与仿真最佳函数模型一致的输出模式，开始消融。

S6、对比实验结果与仿真结果，以消融长径误差≤±5mm，消融短径≤±3mm，碳化区域最大宽度误差≤2mm为标准，若满足此标准，则此调频调幅模型有效；若不满足此标准，则需要对函数模型进行修正直至满足此标准。

调频调幅模式功率输出在函数an4模式下进行离体肝脏微波消融实验，得到离体实验结果与仿真结果对比如图8所示，仿真消融区域长径4.2cm，短径3.1cm，碳化区域最大宽度在6mm左右，离体猪肝微波消融实验消融区域长径3.9cm，短径2.8cm，碳化区域最大宽度5mm左右，满足误差标准。连续模式下碳化区域最大直径在10mm左右，实现了消融中心区域少碳化，在此调频调幅模式下，还可实现消融区域一定体积下，消融中心基本无碳化。

因此，根据消融中心碳化区域的碳化程度反馈更改调频调幅模式，能够实现消融体积大，消融时间短的消融过程，并且达到少碳化、甚至无碳化的消融治疗效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于肝脏的微波消融碳化调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、肝脏微波消融仿真模型构建，采用二维轴对称组件进行消融针、肝脏仿真几何模型构建，选定二维轴对称组件，设定长度单位为mm，构建肝脏消融模型；

S2、电磁辐射与生物热传导参数设置；

S3、输入功率与时间的调频调幅函数，设定消融时间，开始仿真消融；

S4、对仿真数据可视化处理，得到温度场分布数据，绘制仿真全过程温度场图像；

S5、搭建离体肝脏微波消融系统，上位机可实现微波消融连续模式与调频调幅模式输出，对微波源功率设置与仿真最佳函数模型一致的输出模式，开始消融；

S6、对比实验结果与仿真结果以进行判断，以消融长径误差小于等于±5mm，消融短径小于等于±3mm，以碳化区域最大宽度误差小于等于2mm为标准继续判断，若满足此标准，则此调频调幅模型有效，若不满足此标准，则需要对函数模型进行修正直至满足此标准。

2.根据权利要求1所述的用于肝脏的微波消融碳化调控方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：

S11、消融针按照KY-2450A消融针的结构进行仿真设计，针体包括穿刺头、不锈钢套管、同轴电缆和绝缘介质套四个部分，其中同轴电缆包括内导体、绝缘介质和外导体；

S12、简化模型将穿刺头和同轴电缆的内导体合并为一个域，同轴电缆的绝缘介质和绝缘介质套合并为一个域，肝脏为一个域，其它设为理想电导体边界，构建出二维轴对称模型肝脏微波消融几何图形。

3.根据权利要求1所述的用于肝脏的微波消融碳化调控方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S21、电磁辐射域包括肝脏和消融针材料部分，首先设定肝脏的恒压热容Cp，导热系数κ，密度ρ，相对介电常数ε_r，电导率0分别为：

κ＝0.512 293.15≤T≤473.15

293.15≤T≤403.15

293.15≤T≤473.15；

S22、设置消融针材料参数ε_PTFE＝2，σ_PTFE＝0；

S23、设定消融针内外导体及不锈钢套管边界温度T₀＝293.15，模拟消融水冷效果。

4.根据权利要求1所述的用于肝脏的微波消融碳化调控方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：

S41、画出55度、130度等温线，根据消融区域的碳化程度修正函数模型。

Images