CN111700678A - 一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法 - Google Patents
一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法，包括以下步骤：S1、构建肝脏微波消融仿真模型；S2、根据实际肿瘤大小设置消融剂量即消融功率和消融时间，测温针距消融针旁开距离以及消融针、测温针的插入深度；S3、按设置好的消融剂量，完成仿真消融，同时获得相应旁开距离测温位点的温度实时变化数据；S4、将消融针与测温针按预设距离并排插入肿瘤组织中，开始实际消融；S5、按照预设消融剂量开始实际消融，进行相应的判断。该方法利用术前仿真和术中测温来建立更为准确的消融剂量反馈控制方案，根据参数不断修正消融结果，实现更好的治疗效果。
Description
技术领域
本发明涉及医疗领域，尤其涉及一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法。
背景技术
目前，针对特定形状和特殊位置的肿瘤，微波热剂量的设置很大程度上仍然依赖于医生的主观判断和临床经验。温度作为一个直接反应组织吸收热量的参数，可以为热疗的引导以及剂量控制提供重要的依据，在临床上被广泛作为组织消融结果评估的重要参考。临床治疗上往往通过插入单点测温针获取温度来评估消融疗效，不同微波热剂量下的消融仿真结果主要以2D/3D微波消融温度场或其热损伤场来显示，在此消融过程中，组织的热损伤是对温度的积累。在肿瘤的微波消融过程中，为了达到最好的治疗效果，关键是对消融过程中组织温度分布的实时监测。温度场的计算机模拟是一种无创测温方法，能根据热场模型获得整个消融过程中的温度场分布。医护人员可以在微波热消融手术进行之前即对不同微波热剂量下的治疗过程和结果有直观的认识，并且还可以根据部分参数修正消融结果，最终达到理想的治疗效果。因此，如何实现肿瘤的完全适形消融，如何实现微波热剂量的精确控制以及消融结果的可靠仿真，是微波热疗中的一个关键问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法，本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法，可以根据测温针获得的肿瘤消融过程中的温度数据和仿真温度场中相同位点的温度数据来反馈调控微波消融的治疗剂量，包括以下步骤：
S1、根据实际肝肿瘤大小，构建肝脏微波消融仿真模型，采用二维轴对称组件进行消融针和肝脏的的几何结构设计，材料参数设置，电磁辐射模型和生物热传导模型；
S2、根据实际肿瘤大小设置消融剂量即消融功率和消融时间，测温针距消融针旁开距离以及消融针、测温针的插入深度；
S3、按设置好的消融剂量，完成仿真消融，同时获得相应旁开距离测温位点的温度实时变化数据；
S4、将消融针与测温针按预设距离并排插入肿瘤组织中，保证两者处于同一平面上，将消融针与测温针同时接通微波消融治疗系统及测温系统，开始实际消融；
S5、按照预设消融剂量开始实际消融，每隔15秒将测温针上测温点的温度的平均值和仿真中同位点的温度的平均值进行实时对比，根据结果反馈调控消融剂量，若实际温度平均值减去仿真温度平均值的结果大于等于0且小于等于15℃，则保持消融剂量不变，继续消融直至结束；若实际温度平均值减去仿真温度平均值大于15℃，则减小消融剂量至预设消融剂量，并且继续消融；若仿真温度平均值减去实际温度平均值大于15℃，则增大消融剂量至预设消融剂量，并且继续消融。
优选的，所述步骤S1，包括以下步骤：
S11、选定二维轴对称组件，设定长度单位为mm；
S12、构建肝脏消融模型，主要分为肝脏和消融针针体，消融针针体包括穿刺头、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，将穿刺头和同轴电缆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，其他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；
S13、材料参数、电磁辐射参数与生物热传导参数设置，如肝脏的恒压热容Cp，导热系数к，密度ρ，相对介电常数εr，电导率σ等参数。
优选的，所述测温针为单点测温针，测温点在针尖处，消融针与测温针在同一平面上插入肝组织，其旁开距离即间隔距离。
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：
根据测温针获得的肿瘤消融过程中的温度数据和仿真温度场中相同位点的温度数据来反馈调控微波消融的治疗剂量，使得肿瘤的微波消融治疗更加精准；利用术前仿真和术中测温来建立更为准确的消融剂量反馈控制方案，根据参数不断修正消融结果，最终实现更好的治疗效果。
附图说明
图1是根据本发明实施例的用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法流程图；
图2是根据本发明实施例的用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法应用于肿瘤微波热消融的工作示意图；
图3是根据本发明实施例用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的消融针及肝脏仿真几何模型图；
图4是根据本发明实施例用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的离体猪肝脏微波消融仿真示意图；
图5是根据本发明实施例用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的离体猪肝脏消融示意图；
图6是根据本发明实施例用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的离体猪肝脏50W-50min消融剂量的消融效果图；
图7是根据本发明根据本发明的实施例用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的离体猪肝脏50w-5min消融剂量过程中某一位点的仿真温度与实际温度变化。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法流程图，可以根据测温针获得的肿瘤消融过程中的温度数据和仿真温度场中相同位点的温度数据来反馈调控微波消融的治疗剂量，包括以下步骤：
S1、根据实际肝肿瘤大小，构建肝脏微波消融仿真模型，肝脏微波消融仿真模型通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics实现，采用二维轴对称组件进行消融针和肝脏的的几何结构设计，材料参数设置，电磁辐射模型和生物热传导模型；
S2、根据实际肿瘤大小设置消融剂量即消融功率和消融时间，测温针距消融针旁开距离以及消融针、测温针的插入深度；
S3、按设置好的消融剂量，完成仿真消融，同时获得相应旁开距离测温位点的温度实时变化数据；
S4、将消融针与测温针按预设距离并排插入肿瘤组织中，保证两者处于同一平面上，将消融针与测温针同时接通微波消融治疗系统及测温系统，开始实际消融；
S5、按照预设消融剂量开始实际消融，每隔15秒将测温针上测温点的温度的平均值和仿真中同位点的温度的平均值进行实时对比，根据结果反馈调控消融剂量，若实际温度平均值减去仿真温度平均值的结果大于等于0且小于等于15℃，则保持消融剂量不变，继续消融直至结束；若实际温度平均值减去仿真温度平均值大于15℃，则减小消融剂量至预设消融剂量，并且继续消融；若仿真温度平均值减去实际温度平均值大于15℃，则增大消融剂量至预设消融剂量，并且继续消融。
如图2所示，一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法应用于肿瘤微波热消融的工作示意图，1为微波消融及测温系统(以KY-2000消融治疗仪为例)，2为消融针(仪KY-2450A消融针为例)，3为测温针(以KY-CWZ-180为例)，4为肝肿瘤。当该方法用于肿瘤微波热消融测温时，将术前仿真获得的测温点仿真温度数据提前导入微波消融及测温系统，设置算法，将仿真温度数据和测温针实时获取的温度数据每隔15秒求取平均值并进行对比，进而反馈调节消融剂量。
如图3所示，一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的消融针及肝脏仿真几何模型。消融针按照实际消融针的尺寸规格进行设计(以KY-2450A消融针为例)，消融模型包括：穿刺头(前端11mm)，不锈钢套管(直径1.9mm)，同轴电缆(分为内导体，绝缘介质和外导体)，绝缘介质套(PTFE)四个部分，将穿刺头和同轴电缆内导体合并为一个域，同轴电缆绝缘介质和绝缘介质套合并为一个域，肝脏为一个域，其他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。
其中，电磁辐射域包括肝脏和PTFE材料部分，按照肝脏的热物性参数来设定恒压热容Cp，导热系数к，密度ρ，相对介电常数εr，电导率σ等随时间变化的模型，如下：
κ＝0.512 293.15≤T≤473.15
另外，设置消融针材料(PTFE聚四氟乙烯)参数εPTFE＝2，σPTFE＝0，消融针内外导体及不锈钢套管边界温度T0＝293.15，以模拟消融针水冷效果。
如图4所示，一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的50W-5min剂量下微波消融仿真示意图；其中测温针与消融针并排平行放置，距消融针距离设为1cm，测温针端点与消融针能量辐射端平齐，图中中间针即为消融针，旁侧白线即为测温针位置示意；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；微波功率选择为50W，消融时间为5min，即可开始消融仿真。对仿真数据可视化处理，得到温度场分布数据，进而获取测温点相同位点的温度变化数据。
如图5所示，一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的离体猪肝脏消融示意图，1为微波消融及测温系统(以KY-2000消融治疗仪为例)，2为消融针(以KY-2450A消融针为例)，3为测温针(以KY-CWZ-180为例)，5为离体猪肝脏；测温针与消融针并排平行放置，距消融针1cm，测温针前端与消融针能量辐射端平齐。
如图6所示，一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的离体猪肝脏50W-50min消融剂量下的消融效果图；图中的白线即消融针和测温针的穿刺路径。
图7所示，一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法的离体猪肝脏50w-5min消融剂量过程中某一位点的仿真温度与实际温度变化；由于KY-CWZ-180测温针其测温点位于针尖处，由此可确定出测温位点的位置，在仿真温度场中找出相应位点(图4中白线前端黑点)的温度变化数据；若实际温度平均值减去仿真温度平均值的结果大于等于0且小于等于15℃，则保持消融剂量不变，继续消融直至结束；若实际温度平均值减去仿真温度平均值大于15℃，则减小消融剂量至预设消融剂量，并且继续消融；若仿真温度平均值减去实际温度平均值大于15℃，则增大消融剂量至预设消融剂量，并且继续消融。图7中，50W-5min剂量下，整个过程满足实际温度平均值减去仿真温度平均值的结果大于等于0且小于等于15℃，则说明消融剂量合适。15℃的阈值即来自大量离体猪肝脏消融实验与仿真数据的对比。
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 (3)
1.一种用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法，其特征在于：可以根据测温针获得的肿瘤消融过程中的温度数据和仿真温度场中相同位点的温度数据来反馈调控微波消融的治疗剂量，包括以下步骤：
S1、根据实际肝肿瘤大小，构建肝脏微波消融仿真模型，采用二维轴对称组件进行消融针和肝脏的的几何结构设计，材料参数设置，构建电磁辐射模型和生物热传导模型；
S2、根据实际肿瘤大小设置消融剂量即消融功率和消融时间、测温针距消融针旁开距离以及消融针、测温针的插入深度；
S3、按设置好的消融剂量，完成仿真消融，同时获得相应旁开距离测温位点的温度实时变化数据；
S4、将消融针与测温针按预设距离并排插入肿瘤组织中，保证两者处于同一平面上，将消融针与测温针同时接通微波消融治疗系统及测温系统，开始实际消融；
S5、按照预设消融剂量开始实际消融，每隔15秒将测温针上测温点的温度的平均值和仿真中同位点的温度的平均值进行实时对比，根据结果反馈调控消融剂量，若实际温度平均值减去仿真温度平均值的结果大于等于0且小于等于15℃，则保持消融剂量不变，继续消融直至结束；若实际温度平均值减去仿真温度平均值大于15℃，则减小消融剂量至预设消融剂量，并且继续消融；若仿真温度平均值减去实际温度平均值大于15℃，则增大消融剂量至预设消融剂量，并且继续消融。
2.根据权利要求1所述的用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法，其特征在于，所述步骤S1，包括以下步骤：
S11、选定二维轴对称组件，设定长度单位为mm；
S12、构建肝脏消融模型，主要分为肝脏和消融针针体，消融针针体包括穿刺头、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，将穿刺头和同轴电缆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；
S13、材料参数、电磁辐射参数与生物热传导参数设置，如肝脏的恒压热容Cp，导热系数к，密度ρ，相对介电常数εr，电导率σ等参数。
3.根据权利要求1所述的用于肝肿瘤的微波消融治疗剂量的控制方法，其特征在于，所述测温针为单点测温针，测温点在针尖处，消融针与测温针在同一平面上插入肝组织，其旁开距离即间隔距离。
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