CN113171171A - 多头微波消融针及消融模拟系统建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多头微波消融针及消融模拟系统建立方法，包括主针、副针、手柄、滑动机构，主针体上设置有一条以上的副针通道，所述副针设置于副针通道内，所述滑动机构包括滑块、连杆、定位螺钉，通过肿瘤凝固区确定需要的温度场和电磁场，根据温度场和电磁场确定出需要的消融针。本发明不仅能够有效的避免副针与主针之间产生消融间隙，导致消融不完全，而且能够避免将含有肿瘤细胞的组织液带出消融区域，使得肿瘤细胞在消融区域就被完全消融掉。

Description

多头微波消融针及消融模拟系统建立方法
技术领域
本发明涉及一种肿瘤微波消融针及消融模拟系统建立方法，属于医疗器械技术领域。
背景技术
微波消融针是通过微波热效应对肿瘤组织加热，使蛋白质变性凝固达到消灭肿瘤的目的，相比于传统的手术治疗，消融治疗技术具有消融范围大、并发症少的优势，已经成为了恶性肝肿瘤常规的治疗手段。
微波消融针通常能够消融水滴形、球形、椭球形等肿瘤，对于异形肿瘤来说，比如异形肿瘤有三个凸起，现有的方法是，采用一个针时，加大主针的工作参数，使得主针的消融区域覆盖住三个凸起，但这种方式的消融，造成消融区域过大。采用多针时，有两种方法，一种是同时下针，另一种方法是分开时间下针，同时下针(现有方法采用的是平行双针)，双针平行插入到肿瘤内，然后进行消融，这种消融方式的消融区呈心形，存在有间隙，导致肿瘤未消融完。现有技术中，同时下针采用的多针都是平行插入的，主要是因为非平行插入时，不能够很好的确定消融区域，可能会照成消融遗漏。现有文献中也有多针头的消融针，比如中国专利201620915873.X，公开的多针尖扩展射频消融电极针，采用多个所述电极子针沿圆周方向设置在所述套管针内，能控制出针数目、出针方向和出针长度，实现电极子针的定向扩展，使用时通过电极子针进行消融，因此这种消融针的设计和多针平行(非平行)插入类似，都存在一个问题，即，消融的时候，各个针的消融范围重叠后存在有间隙，消融不彻底的问题。分开时间下针，根据肿瘤的形状，先插入一个针消融，消融完后然后再插入一个针消融，直至消融区覆盖住肿瘤，但是这种插针方式，由于多次的插入，会导致混合有肿瘤细胞的组织液被带到正常区域或者已消融区域，导致肿瘤扩散，消融不彻底的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够针对异形肿瘤、且消融效果好的肿瘤微波消融针及消融模拟系统建立方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多头微波消融针，包括主针、副针、手柄、滑动机构，所述主针的尾部设置于手柄内，其中：
所述主针包括主针体和主针连接头，所述主针连接头一端设置在主针体的尾部上，另一端设置有主针电缆连接头、主针进水连接头、主针出水连接头，所述主针电缆连接头与主针同轴电缆连接，所述主针进水连接头与主针进水管连接，所述主针出水连接头与主针出水管连接。所述主针体上设置有一条以上的副针通道，所述副针通道包括依次连通的副针出口倾斜通道和副针直通道，所述副针出口倾斜通道的出口位于主针的消融区域内，副针出口倾斜通道与副针直通道之间的夹角θ在110-170度之间，所述副针直通道上设置有副针驱动滑槽。所述副针设置于副针通道内，且副针与副针通道滑动连接，所述副针与副针通道一一对应。
所述副针包括副针体和副针连接头，所述副针连接头一端设置在副针体的尾部上，另一端设置有副针电缆连接头、副针进水连接头、副针出水连接头，所述副针电缆连接头与副针同轴电缆连接，所述副针进水连接头与副针进水管连接，所述副针出水连接头与副针出水管连接。所述副针连接头设置有连杆固定部。
所述手柄上开设有滑槽，所述滑槽与副针驱动滑槽一一对应。
所述滑动机构包括滑块、连杆、定位螺钉，所述连杆一端穿过副针驱动滑槽与连杆固定部固定连接，另一端与滑块固定连接。所述滑块设置于滑槽上，且所述滑块与滑槽滑动连接。所述滑块设置有螺纹通孔，所述定位螺钉通过螺纹通孔将滑块与手柄相固定。
优选的：所述手柄内设置有冷气管网，所述手柄上设置有冷气进气接头和冷气出气接头，所述冷气进气接头一端与冷源出气口连接，另一端与冷气管网进气口连接。所述冷气出气接头一端与冷源进气口连接，另一端与冷气管网出气口连接。
优选的：所述副针上设置有电磁屏蔽层。
优选的：所述滑块上设置有把手。
优选的：所述副针通道条数为四条。
优选的：所述副针通道表面设置有电磁屏蔽层一。
一种多头微波消融针的消融模拟系统建立方法，包括以下步骤：
步骤1，凝固区确定，通过CT影像确定病灶区域，根据病灶区域确定凝固区，其中，凝固区包含病灶区及病灶区边缘外侧距离d的组织。
步骤2，消融针确定
步骤21，主针及主椭球确定
提取凝固区中彼此距离最远的两点，记为点A和点B，将AB作为主椭球o的长轴，根据主椭球o的长轴AB确定主针插入深度L和角度。在凝固区上确定主椭球o中轴CD，其中，点C、点D均位于凝固区上，且
Figure BDA0003115511150000021
λ表示消融针的主针发出的微波波长，e表示自然对数，dCD表示中轴长度，取dCD最大时的CD作为主椭球o的中轴CD，取主椭球o的中轴与短轴相等，进而确定了主椭球o，以AB的中点为坐标原点，AB所在的直线为x轴，CD所在的直线为y轴，根据左手定则建立坐标系xyz，进而得到主椭球o的方程，其中，主椭球o所包围的区域即为主针消融区域，同时根据主针发出的微波波长确定主针工作参数。
步骤22，剩余消融区域确定
将凝固区减去消融区域得到剩余消融区域，剩余消融区域由n个不连续区域组成，n为自然数。
步骤23，副针及副椭球确定
将第i个副针pi与主针的相交点记为Pi点，i＝1,2,3,…,n，对于第i个不连续区域qi，找到不连续区域qi上距离Pi点最远的点，记为Bi点，连接PiBi点，确定第i个副针pi与主针的夹角为θi。将PiBi与不连续区域qi上的相交点记为Ai，则AiBi为第i个副椭球Oi的长轴，根据第i个副椭球Oi的长轴AiBi确定第i个副针pi插入深度Li。在不连续区域qi上，确定第i个副椭球Oi的中轴CiDi，其中，点Ci、点Di均位于凝固区上，且
Figure BDA0003115511150000031
λi表示第i个副针pi发出的微波波长，e表示自然对数，
Figure BDA0003115511150000032
表示第i个副椭球Oi的中轴长度，取
Figure BDA0003115511150000033
最大时的CiDi作为第i个副椭球Oi的中轴CiDi，同时取副椭球Oi的中轴与短轴相等，进而确定了第i个副椭球Oi，进而确定第i个副椭球Oi在坐标系xyz上的椭球方程，第i个副椭球Oi即为副针pi消融区域，同时根据第i个副针pi发出的微波波长确定第i个副针pi的工作参数。
步骤24，重复步骤22和步骤23，直至剩余消融区域小于预定阈值。
步骤25，各区域电场确定
根据主椭球o方程以及副椭球Oi方程求解得到各个方程所围的面积之间的重叠电场区域S'和非重叠电场区域S”：
将所有电场区域组成总集合Γ，则Γ＝{S1,S2,…,Sk,…,SN}，Sk表示第k个针头产生的电场区域，Sk的大小为第k个针头所对应的椭球所围成的区域。
对于重叠电场区域：
Figure BDA0003115511150000041
Figure BDA0003115511150000042
表示空集，∩表示取交集，k1≠k2，k1,k2＝1,2,…,N，N表示针头个数，其大小为主针加副针的个数，N＝n+1，h1＝1,2,…,H1，H1表示存在有两个电场相交的个数，
Figure BDA0003115511150000043
表示两个电场相交的区域。
Figure BDA0003115511150000044
kt+1≠kt≠kt-1，kt+1＝1,2,…,N，ht＝1,2,…,Ht，Ht表示存在有t+1个电场相交的个数,t＝2,3,…,N-1，
Figure BDA0003115511150000045
表示t+1个电场相交的区域。
Figure BDA0003115511150000046
kN≠kN-1≠kN-2，kN＝1,2,…,N，HN表示存在有N个电场相交的个数，
Figure BDA0003115511150000047
表示N个电场相交的区域。
Figure BDA0003115511150000048
Figure BDA0003115511150000049
表示N-1个电场相交的区域中去除了N个电场相交的区域后的区域，
Figure BDA00031155111500000410
Figure BDA00031155111500000411
表示N-1个电场相交中去除了N个电场相交的区域后的个数。
Figure BDA0003115511150000051
Figure BDA0003115511150000052
表示t+1个电场相交中去除了t+2个电场相交的区域后的的个数,
Figure BDA0003115511150000053
表示t+1个电场相交的区域中去除了t+2个电场相交的区域后的区域。
Figure BDA0003115511150000054
Figure BDA0003115511150000055
表示2个电场相交中去除了3个电场相交的区域后的的个数，
Figure BDA0003115511150000056
表示2个电场相交的区域中去除了3个电场相交的区域后的区域。
则重叠电场区域S'为：
Figure BDA0003115511150000057
将重叠电场区域S'进行整理后，得到重叠电场区域
Figure BDA0003115511150000058
h＝1,2,3,…,H，H表示重叠电场区域的个数，
Figure BDA0003115511150000059
Figure BDA00031155111500000510
表示第h个重叠电场区域。
对于非重叠电场区域S”：
Figure BDA0003115511150000061
Figure BDA0003115511150000062
Figure BDA0003115511150000063
表示与第k个针头产生的电场相交的个数，
Figure BDA0003115511150000064
表示第k个针头产生的电场与第
Figure BDA0003115511150000065
个针头产生的电场相交的区域。
第k个针头产生的非重叠电场区域为：
Figure BDA0003115511150000066
其中，∪表示取并集，则非重叠电场区域
Figure BDA0003115511150000067
Figure BDA0003115511150000068
表示第k个针头产生的非重叠电场区域。
步骤3，电磁场模型
组织中的第k个针头的电场分布如下：
Figure BDA0003115511150000069
Figure BDA00031155111500000610
Figure BDA00031155111500000611
其中，▽表示拉普拉斯算子，表示温度梯度的散度，
Figure BDA00031155111500000612
表示第k个针在位置δk产生的电场强度，δk表示第k个针头产生的电场中的任一点的位置，μr表示相对磁导率，ξk表示积分常数，εr电介质的相对介电常数，j表示自由空间波数，σ表示组织的电导率，wk表示第k个针头的微波角频率，wk＝2πfk，fk表示第k个针头的微波频率，ε0表示真空的相对介电常数，
Figure BDA0003115511150000071
表示位置δk在第k个针头的二维坐标系中r轴上分量，rk第k个针头的直径，
Figure BDA0003115511150000072
为第k个针头的微波传播常数，λk为第k个针头的微波波长，zk表示第k个针头的传播介质阻，
Figure BDA0003115511150000073
表示第k个针头的微波天线中微波的平均功率抗，
Figure BDA0003115511150000074
表示第k个针头的外径，
Figure BDA0003115511150000075
表示第k个针头的内径。
在非重叠电场区域S”内组织中的第k个针头的电场如下：
Figure BDA0003115511150000076
δ'k表示第k个针头产生的非重叠电场区域
Figure BDA0003115511150000077
内的点。
在重叠电场区域S'内组织中的电场如下：
在重叠电场区域内，存在有不同的电场的耦合情况，重叠电场区域
Figure BDA0003115511150000078
即为电磁场耦合区域，则：
Figure BDA0003115511150000079
s.t：
Figure BDA00031155111500000710
其中，δ”h表示第h个电场叠加区域
Figure BDA00031155111500000711
内的点，
Figure BDA00031155111500000712
表示第h个电场叠加区域中点δ”h的电场强度，nh表示产生第h个电场叠加区域的针头个数，
Figure BDA00031155111500000713
表示第h个电场叠加区域的第
Figure BDA00031155111500000714
个针产生的电场强度。
步骤4，温度场模型
微波引起组织损伤的机理是微波能量转化为热能Pennes生物传热方程：
Figure BDA0003115511150000081
式中，ρ为组织密度，c为组织的比热，cb为血液的比热，K为组织的导热系数，T为体内组织的温度，
Figure BDA0003115511150000082
表示体内组织的温度随时间变化率，
Figure BDA0003115511150000083
为外部热源在点δ处的加热量，Qm为组织新陈代谢产热率，Wb为血液的灌注率，Tb为所在区域的动脉血温，▽为拉普拉斯算子。
外部热源在点δ处的加热量：
Figure BDA0003115511150000084
其中，σ(δ)为生物体组织内δ点处的等效电导率，ρ(δ)为生物组织内δ点处质量密度。
优选的：病灶区边缘外侧距离d为0.3-0.8cm。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明不仅能够有效的避免副针与主针之间产生消融间隙，导致消融不完全，而且能够避免将含有肿瘤细胞的组织液带出消融区域，使得肿瘤细胞在消融区域就被完全消融掉。
2.本发明通过肿瘤凝固区确定需要的温度场和电磁场，根据温度场和电磁场确定出需要的消融针，因此能够有效的防止出现消融空洞和间隙，使得消融效果好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种多头微波消融针，如图1所示，包括主针1、副针2、手柄3、滑动机构4，所述主针1的尾部设置于手柄3内，其中：
所述主针1包括主针体11和主针连接头12，所述主针连接头12一端设置在主针体11的尾部上，另一端设置有主针电缆连接头、主针进水连接头、主针出水连接头，所述主针电缆连接头与主针同轴电缆121连接，所述主针进水连接头与主针进水管122连接，所述主针出水连接头与主针出水管连接，主针1采用水冷式消融针，因此在主针体11内设置有冷却水管回路，通过连接主针进水管122、主针出水管进行冷却水的循环，通过冷却水对主针1进行降温。所述主针体11上设置有两条副针通道111，副针通道111的设置与肿瘤的形状有关，对于有三个地方凸起的肿瘤，可以采用一条副针通道111，主针在负责两个凸起的地方消融，副针负责另一个凸起的地方消融，因此副针采用的多少，可以根据肿瘤的凸起的多少进行确定，在本发明的另一实施例中，副针通道111采用四条。所述副针通道111包括依次连通的副针出口倾斜通道1111和副针直通道1112，所述副针出口倾斜通道1111的出口位于主针1的消融区域内，由于副针出口倾斜通道1111的出口位于主针1的消融区域内，因此当副针从副针出口倾斜通道推出后，副针进入到主针1的消融区域内，能够有效的避免副针与主针1之间产生消融间隙，导致消融不完全，另外，这种设置，能够避免将含有肿瘤细胞的组织液带出消融区域，使得肿瘤细胞在消融区域就被完全消融掉。副针出口倾斜通道1111与副针直通道1112之间的夹角θ在110-170度之间，如图1所示，副针出口倾斜通道1111与副针直通道1112相互倾斜，通过这种设置，一方面，可以有效的避免副针能够顺畅推出，另一方面，可以采用不同的夹角θ，使得副针的推出角度不同，进而确定副针的推出方位。所述副针直通道1112上设置有副针驱动滑槽113，所述副针2设置于副针通道111内，且副针2与副针通道111滑动连接，所述副针2与副针通道111一一对应，也得各个副针2在对应的副针通道111能够滑动。所述副针2上设置有电磁屏蔽层，所述副针通道111表面设置有电磁屏蔽层一，通过电磁屏蔽层、电磁屏蔽层一的设置，可以防止在重合段上主针与副针电磁场干扰。
所述副针2包括副针体21和副针连接头22，所述副针连接头22一端设置在副针体21的尾部上，另一端设置有副针电缆连接头、副针进水连接头、副针出水连接头，所述副针电缆连接头与副针同轴电缆221连接，所述副针进水连接头与副针进水管222连接，所述副针出水连接头与副针出水管连接。副针2采用水冷式消融针，因此在副针2内设置有冷却水管回路，通过连接副针进水管222、副针出水管进行冷却水的循环，通过冷却水对副针2进行降温。所述副针连接头22设置有连杆固定部。
所述手柄3上开设有滑槽31，所述滑槽31与副针驱动滑槽113一一对应。
所述滑动机构4包括滑块41、连杆42、定位螺钉43，所述连杆42一端穿过副针驱动滑槽113与连杆固定部固定连接，另一端与滑块41固定连接。所述滑块41设置于滑槽31上，且所述滑块41与滑槽31滑动连接，滑块41可沿着滑槽31进行滑动。所述滑槽31上设置有前限位块311和后限位块312，通过前限位块311和后限位块312的限定，限制了的滑块41滑动位移，防止副针退出过多。所述滑块41设置有螺纹通孔，所述定位螺钉43通过螺纹通孔将滑块41与手柄3相固定，所述滑块41上设置有把手44。
所述手柄3内设置有冷气管网5，所述手柄3上设置有冷气进气接头和冷气出气接头，所述冷气进气接头一端与冷源出气口连接，另一端与冷气管网5进气口连接。所述冷气出气接头一端与冷源进气口连接，另一端与冷气管网5出气口连接，冷源采用氮气，通过冷气降温，使得在手柄3内的主针、副针能够进行二次降温，有效的防止了主针、副针的温度过高。
使用时，根据副针的插入角度和主针工作参数选择对应的主针，根据副针工作参数选择对应的副针。将主针电缆连接头与主针同轴电缆121连接，所述主针进水连接头与主针进水管122连接，所述主针出水连接头与主针出水管连接。再将副针电缆连接头与副针同轴电缆221连接，所述副针进水连接头与副针进水管222连接，所述副针出水连接头与副针出水管连接。然后根据主针的插入参数(插入深度和角度)将主针插入到待消融肿瘤内，主针插好后。其次，将定位螺钉43拆开，然后推动把手44，将副针2沿着副针通道111推出，进入到消融肿瘤内，根据副针的插入深度将副针插入到待消融肿瘤内预定位置，然后通过定位螺钉43将滑块41固定在手柄3上，其他的副针也做相应的操作。最后根据工作参数启动各个针头进行工作，进而对待消融肿瘤进行凝固消融。
一种多头微波消融针的消融模拟系统建立方法，消融模拟系统包括依次连接的凝固区确定单元、消融针确定单元、电磁场单元、温度场单元，建立方法包括以下步骤：
步骤1，凝固区确定单元，通过CT影像确定病灶区域，根据病灶区域确定凝固区，其中，凝固区包含病灶区及病灶区边缘外侧距离d的组织,病灶区边缘外侧距离d为0.3-0.8cm。
步骤2，消融针确定单元，消融针确定单元包括主针及主椭球确定模块、剩余消融区域确定模块、副针及副椭球确定模块、各区域电场确定模块，所述主针及主椭球确定模块分别与剩余消融区域确定模块、副针及副椭球确定模块连接，所述副针及副椭球确定模块与剩余消融区域确定模块连接，所述各区域电场确定模块均与主针及主椭球确定模块、副针及副椭球确定模块连接。
步骤21，主针及主椭球确定模块用于确定主针及主椭球，通过主针及主椭球确定方法实现，根据主针及主椭球确定方法设计对应电路，进而得到主针及主椭球确定模块。
主针及主椭球确定方法如下：
提取凝固区中彼此距离最远的两点，记为点A和点B，将AB作为主椭球o的长轴，根据主椭球o的长轴AB确定主针插入深度L和角度。在凝固区上确定主椭球o中轴CD，其中，点C、点D均位于凝固区上，且
Figure BDA0003115511150000111
λ表示消融针的主针发出的微波波长，e表示自然对数，dCD表示中轴长度，取dCD最大时的CD作为主椭球o的中轴CD，取主椭球o的中轴与短轴相等，进而确定了主椭球o，以AB的中点为坐标原点，AB所在的直线为x轴，CD所在的直线为y轴，根据左手定则建立坐标系xyz，进而得到主椭球o的方程，其中，主椭球o所包围的区域即为主针消融区域，同时根据主针发出的微波波长确定主针工作参数。
步骤22，剩余消融区域确定模块用于确定剩余消融区域，通过剩余消融区域确定方法实现，然后根据剩余消融区域确定方法设计对应电路，进而得到剩余消融区域确定模块。
剩余消融区域确定方法如下：
将凝固区减去消融区域得到剩余消融区域，剩余消融区域由n个不连续区域组成，n为自然数。
步骤23，副针及副椭球确定模块用于确定副针及副椭球，通过副针及副椭球确定方法实现，然后根据副针及副椭球确定方法设计对应电路，进而得到副针及副椭球确定模块。
副针及副椭球确定方法如下：
将第i个副针pi与主针的相交点记为Pi点，i＝1,2,3,…,n，对于第i个不连续区域qi，找到不连续区域qi上距离Pi点最远的点，记为Bi点，连接PiBi点，确定第i个副针pi与主针的夹角为θi。将PiBi与不连续区域qi上的相交点记为Ai，则AiBi为第i个副椭球Oi的长轴，根据第i个副椭球Oi的长轴AiBi确定第i个副针pi插入深度Li。在不连续区域qi上，确定第i个副椭球Oi的中轴CiDi，其中，点Ci、点Di均位于凝固区上，且
Figure BDA0003115511150000112
λi表示第i个副针pi发出的微波波长，e表示自然对数，
Figure BDA0003115511150000113
表示第i个副椭球Oi的中轴长度，取
Figure BDA0003115511150000121
最大时的CiDi作为第i个副椭球Oi的中轴CiDi，同时取副椭球Oi的中轴与短轴相等，进而确定了第i个副椭球Oi，进而确定第i个副椭球Oi在坐标系xyz上的椭球方程，第i个副椭球Oi即为副针pi消融区域，同时根据第i个副针pi发出的微波波长确定第i个副针pi的工作参数。
步骤24，重复步骤22和步骤23，直至剩余消融区域小于预定阈值。
步骤25，各区域电场确定模块用于确定各区域电场，通过各区域电场确定方法实现，然后根据各区域电场确定方法设计对应电路，进而得到各区域电场确定模块。
各区域电场确定方法如下：
由于各个方程考虑的是最大的长轴和中轴，因此，各个消融针的消融区域是最大的，因此他们之间存在有重叠的消融区域。根据主椭球o方程以及副椭球Oi方程求解得到各个方程所围的面积之间的重叠电场区域S'和非重叠电场区域S”：
将所有电场区域组成总集合Γ，则Γ＝{S1,S2,…,Sk,…,SN}，Sk表示第k个针头产生的电场区域，也就是第k个针头椭球所围成的区域。
对于重叠电场区域：
Figure BDA0003115511150000122
Figure BDA0003115511150000123
表示空集，k1≠k2，k1,k2＝1,2,…,N，N表示针头个数，其大小为主针加副针的个数，N＝n+1，h1＝1,2,…,H1，H1表示存在有两个电场相交的个数，
Figure BDA0003115511150000124
表示两个电场相交的区域。
Figure BDA0003115511150000125
kt+1≠kt≠kt-1，kt+1＝1,2,…,N，ht＝1,2,…,Ht，Ht表示存在有t+1个电场相交的个数,t＝2,3,…,N-1，
Figure BDA0003115511150000126
表示t+1个电场相交的区域。
Figure BDA0003115511150000131
kN≠kN-1≠kN-2，kN＝1,2,…,N，HN表示存在有N个电场相交的个数，
Figure BDA0003115511150000132
表示N个电场相交的区域。
Figure BDA0003115511150000133
Figure BDA0003115511150000134
表示N-1个电场相交的区域中去除了N个电场相交的区域后的区域，
Figure BDA0003115511150000135
Figure BDA0003115511150000136
表示N-1个电场相交中去除了N个电场相交的区域后的个数。
Figure BDA0003115511150000137
Figure BDA0003115511150000138
表示t+1个电场相交中去除了t+2个电场相交的区域后的的个数,
Figure BDA0003115511150000139
表示t+1个电场相交的区域中去除了t+2个电场相交的区域后的区域。
Figure BDA00031155111500001310
Figure BDA00031155111500001311
表示2个电场相交中去除了3个电场相交的区域后的的个数，
Figure BDA00031155111500001312
表示2个电场相交的区域中去除了3个电场相交的区域后的区域。
重叠电场区域S'为：
Figure BDA0003115511150000141
将重叠电场区域S'进行整理后，得到重叠电场区域
Figure BDA0003115511150000142
h＝1,2,3,…,H，H表示重叠电场区域的个数，
Figure BDA0003115511150000143
Figure BDA0003115511150000144
表示第h个重叠电场区域。
对于非重叠电场区域S”：
Figure BDA0003115511150000145
Figure BDA0003115511150000146
Figure BDA0003115511150000147
表示与第k个针头产生的电场相交的个数，
Figure BDA0003115511150000148
表示第k个针头产生的电场与第
Figure BDA0003115511150000149
个针头产生的电场相交的区域。
第k个针头产生的非重叠电场区域为：
Figure BDA00031155111500001410
则非重叠电场区域
Figure BDA00031155111500001411
Figure BDA00031155111500001412
表示第k个针头产生的非重叠电场区域。
步骤3，电磁场单元用于模拟确定各区域电场的电场强度，通过各区域电场强度确定方法实现，然后根据各区域电场强度确定方法设计对应电路，进而得到电磁场单元。
各区域电场强度确定方法如下：
组织中的第k个针头的电场分布如下：
Figure BDA0003115511150000151
Figure BDA0003115511150000152
Figure BDA0003115511150000153
其中，▽表示拉普拉斯算子，表示温度梯度的散度，
Figure BDA0003115511150000154
表示第k个针在位置δk产生的电场强度，δk表示第k个针头产生的电场中的任一点的位置，μr表示相对磁导率，ξk表示积分常数，εr电介质的相对介电常数，j表示自由空间波数，σ表示组织的电导率，wk表示第k个针头的微波角频率，wk＝2πfk，fk表示第k个针头的微波频率，ε0表示真空的相对介电常数，
Figure BDA0003115511150000155
表示位置δk在第k个针头的二维坐标系中r轴上分量，rk第k个针头的直径，
Figure BDA0003115511150000156
为第k个针头的微波传播常数，λk为第k个针头的微波波长，zk表示第k个针头的传播介质阻，
Figure BDA0003115511150000157
表示第k个针头的微波天线中微波的平均功率抗，
Figure BDA0003115511150000158
表示第k个针头的外径，
Figure BDA0003115511150000159
表示第k个针头的内径。
在非重叠电场区域S”内组织中的第k个针头的电场如下：
Figure BDA00031155111500001510
δ'k表示第k个针头产生的非重叠电场区域
Figure BDA00031155111500001511
内的点。
在重叠电场区域S'内组织中的电场如下：
在重叠电场区域内，存在有不同的电场的耦合情况，重叠电场区域
Figure BDA00031155111500001512
即为电磁场耦合区域，则：
Figure BDA0003115511150000161
s.t：
Figure BDA0003115511150000162
其中，δ”h表示第h个电场叠加区域
Figure BDA0003115511150000163
内的点，
Figure BDA0003115511150000164
表示第h个电场叠加区域中点δ”h的电场强度，nh表示产生第h个电场叠加区域的针头个数，
Figure BDA0003115511150000165
表示第h个电场叠加区域的第
Figure BDA0003115511150000166
个针产生的电场强度。
通过上述电磁场模型，能够很好的确定各个针头产生的电磁场，防止各个针头电磁场耦合后，出现空洞，影响到消融区域。
步骤4，温度场单元用于模拟确定各区域温度，通过各区域温度确定方法实现，然后根据各区域温度确定方法设计对应电路，进而得到温度场单元。
各区域温度确定方法如下：
微波引起组织损伤的机理是微波能量转化为热能Pennes生物传热方程。该方程阐明了热消融中生物传热规律：
Figure BDA0003115511150000167
式中，ρ为组织密度，c为组织的比热，cb为血液的比热，K为组织的导热系数，T为体内组织的温度，
Figure BDA0003115511150000168
表示体内组织的温度随时间变化率，
Figure BDA0003115511150000169
为外部热源在点δ处的加热量，此处是组织的比吸收率SAR，Qm为组织新陈代谢产热率，Wb为血液的灌注率，Tb为所在区域的动脉血温，▽为拉普拉斯算子。
Figure BDA0003115511150000171
其中，σ(δ)为生物体组织内δ点处的等效电导率，ρ(δ)为生物组织内δ点处质量密度。
热传导率、比热以及密度与组织含水率之间的经验公式，具体计算公式如下：
Figure BDA0003115511150000172
Figure BDA0003115511150000173
Figure BDA0003115511150000174
其中，
Figure BDA0003115511150000175
代表生物组织的含水率。
通过上述温度场模型，对凝固区进行模拟，当模拟凝固区与实际的凝固区的差异小于预定的凝固区阈值时，确定出模拟凝固区，根据模拟凝固区，确定出各个针头的电磁场，根据各个针头的电磁场确定出各个针头的工作参数(工作功率、工作时间、冷却水循环速度等)。
使用的时候，先根据主针的插入参数(插入深度和角度)将主针插入到待消融肿瘤内，主针插好后，根据各个副针的插入参数(插入深度和角度)分别将副针插入到待消融肿瘤内，根据工作参数启动各个针头进行工作，进而对待消融肿瘤进行凝固消融。
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 (8)

1.一种多头微波消融针，其特征在于：包括主针(1)、副针(2)、手柄(3)、滑动机构(4)，所述主针(1)的尾部设置于手柄(3)内，其中：
所述主针(1)包括主针体(11)和主针连接头(12)，所述主针连接头(12)一端设置在主针体(11)的尾部上，另一端设置有主针电缆连接头、主针进水连接头、主针出水连接头，所述主针电缆连接头与主针同轴电缆(121)连接，所述主针进水连接头与主针进水管(122)连接，所述主针出水连接头与主针出水管连接；所述主针体(11)上设置有一条以上的副针通道(111)，所述副针通道(111)包括依次连通的副针出口倾斜通道(1111)和副针直通道(1112)，所述副针出口倾斜通道(1111)的出口位于主针(1)的消融区域内，副针出口倾斜通道(1111)与副针直通道(1112)之间的夹角θ在110-170度之间，所述副针直通道(1112)上设置有副针驱动滑槽(113)；所述副针(2)设置于副针通道(111)内，且副针(2)与副针通道(111)滑动连接，所述副针(2)与副针通道(111)一一对应；
所述副针(2)包括副针体(21)和副针连接头(22)，所述副针连接头(22)一端设置在副针体(21)的尾部上，另一端设置有副针电缆连接头、副针进水连接头、副针出水连接头，所述副针电缆连接头与副针同轴电缆(221)连接，所述副针进水连接头与副针进水管(222)连接，所述副针出水连接头与副针出水管连接；所述副针连接头(22)设置有连杆固定部；
所述手柄(3)上开设有滑槽(31)，所述滑槽(31)与副针驱动滑槽(113)一一对应；
所述滑动机构(4)包括滑块(41)、连杆(42)、定位螺钉(43)，所述连杆(42)一端穿过副针驱动滑槽(113)与连杆固定部固定连接，另一端与滑块(41)固定连接；所述滑块(41)设置于滑槽(31)上，且所述滑块(41)与滑槽(31)滑动连接；所述滑块(41)设置有螺纹通孔，所述定位螺钉(43)通过螺纹通孔将滑块(41)与手柄(3)相固定。
2.根据权利要求1所述多头微波消融针，其特征在于：所述手柄(3)内设置有冷气管网(5)，所述手柄(3)上设置有冷气进气接头和冷气出气接头，所述冷气进气接头一端与冷源出气口连接，另一端与冷气管网(5)进气口连接；所述冷气出气接头一端与冷源进气口连接，另一端与冷气管网(5)出气口连接。
3.根据权利要求1所述多头微波消融针，其特征在于：所述副针(2)上设置有电磁屏蔽层。
4.根据权利要求1所述多头微波消融针，其特征在于：所述滑块(41)上设置有把手(44)。
5.根据权利要求1所述多头微波消融针，其特征在于：所述副针通道(111)条数为四条。
6.根据权利要求1所述多头微波消融针，其特征在于：所述副针通道(111)表面设置有电磁屏蔽层一。
7.一种基于权利要求1所述多头微波消融针的消融模拟系统建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，凝固区确定，通过CT影像确定病灶区域，根据病灶区域确定凝固区，其中，凝固区包含病灶区及病灶区边缘外侧距离d的组织；
步骤2，消融针确定
步骤21，主针及主椭球确定
提取凝固区中彼此距离最远的两点，记为点A和点B，将AB作为主椭球o的长轴，根据主椭球o的长轴AB确定主针插入深度L和角度；在凝固区上确定主椭球o中轴CD，其中，点C、点D均位于凝固区上，且
Figure FDA0003115511140000021
λ表示消融针的主针发出的微波波长，e表示自然对数，dCD表示中轴长度，取dCD最大时的CD作为主椭球o的中轴CD，取主椭球o的中轴与短轴相等，进而确定了主椭球o，以AB的中点为坐标原点，AB所在的直线为x轴，CD所在的直线为y轴，根据左手定则建立坐标系xyz，进而得到主椭球o的方程，其中，主椭球o所包围的区域即为主针消融区域，同时根据主针发出的微波波长确定主针工作参数；
步骤22，剩余消融区域确定
将凝固区减去消融区域得到剩余消融区域，剩余消融区域由n个不连续区域组成，n为自然数；
步骤23，副针及副椭球确定
将第i个副针pi与主针的相交点记为Pi点，i＝1,2,3,…,n，对于第i个不连续区域qi，找到不连续区域qi上距离Pi点最远的点，记为Bi点，连接PiBi点，确定第i个副针pi与主针的夹角为θi；将PiBi与不连续区域qi上的相交点记为Ai，则AiBi为第i个副椭球Oi的长轴，根据第i个副椭球Oi的长轴AiBi确定第i个副针pi插入深度Li；在不连续区域qi上，确定第i个副椭球Oi的中轴CiDi，其中，点Ci、点Di均位于凝固区上，且
Figure FDA0003115511140000022
λi表示第i个副针pi发出的微波波长，e表示自然对数，
Figure FDA0003115511140000023
表示第i个副椭球Oi的中轴长度，取
Figure FDA0003115511140000031
最大时的CiDi作为第i个副椭球Oi的中轴CiDi，同时取副椭球Oi的中轴与短轴相等，进而确定了第i个副椭球Oi，进而确定第i个副椭球Oi在坐标系xyz上的椭球方程，第i个副椭球Oi即为副针pi消融区域，同时根据第i个副针pi发出的微波波长确定第i个副针pi的工作参数；
步骤24，重复步骤22和步骤23，直至剩余消融区域小于预定阈值；
步骤25，各区域电场确定
根据主椭球o方程以及副椭球Oi方程求解得到各个方程所围的面积之间的重叠电场区域S'和非重叠电场区域S″：
将所有电场区域组成总集合Γ，则Γ＝{S1,S2,…,Sk,…,SN}，Sk表示第k个针头产生的电场区域，Sk的大小为第k个针头所对应的椭球所围成的区域；
对于重叠电场区域：
Figure FDA0003115511140000032
Figure FDA0003115511140000033
表示空集，∩表示取交集，k1≠k2，k1,k2＝1,2,…,N，N表示针头个数，其大小为主针加副针的个数，N＝n+1，h1＝1,2,…,H1，H1表示存在有两个电场相交的个数，
Figure FDA0003115511140000034
表示两个电场相交的区域；
Figure FDA0003115511140000035
Figure FDA0003115511140000036
Ht表示存在有t+1个电场相交的个数,t＝2,3,…,N-1，
Figure FDA0003115511140000037
表示t+1个电场相交的区域；
Figure FDA0003115511140000038
Figure FDA0003115511140000041
HN表示存在有N个电场相交的个数，
Figure FDA0003115511140000042
表示N个电场相交的区域；
Figure FDA0003115511140000043
Figure FDA0003115511140000044
表示N-1个电场相交的区域中去除了N个电场相交的区域后的区域，
Figure FDA0003115511140000045
Figure FDA0003115511140000046
表示N-1个电场相交中去除了N个电场相交的区域后的个数；
Figure FDA0003115511140000047
Figure FDA0003115511140000048
表示t+1个电场相交中去除了t+2个电场相交的区域后的的个数,
Figure FDA0003115511140000049
表示t+1个电场相交的区域中去除了t+2个电场相交的区域后的区域；
Figure FDA00031155111400000410
Figure FDA00031155111400000411
表示2个电场相交中去除了3个电场相交的区域后的的个数，
Figure FDA00031155111400000412
表示2个电场相交的区域中去除了3个电场相交的区域后的区域；
则重叠电场区域S'为：
Figure FDA00031155111400000413
将重叠电场区域S'进行整理后，得到重叠电场区域
Figure FDA0003115511140000051
Figure FDA0003115511140000052
H表示重叠电场区域的个数，
Figure FDA0003115511140000053
Figure FDA0003115511140000054
表示第h个重叠电场区域；
对于非重叠电场区域S″：
Figure FDA0003115511140000055
Figure FDA0003115511140000056
Figure FDA0003115511140000057
表示与第k个针头产生的电场相交的个数，
Figure FDA0003115511140000058
表示第k个针头产生的电场与第
Figure FDA0003115511140000059
个针头产生的电场相交的区域；
第k个针头产生的非重叠电场区域为：
Figure FDA00031155111400000510
其中，∪表示取并集，则非重叠电场区域
Figure FDA00031155111400000511
Figure FDA00031155111400000512
表示第k个针头产生的非重叠电场区域。
步骤3，电磁场模型
组织中的第k个针头的电场分布如下：
Figure FDA00031155111400000513
Figure FDA00031155111400000514
Figure FDA0003115511140000061
其中，
Figure FDA0003115511140000062
表示拉普拉斯算子，表示温度梯度的散度，
Figure FDA0003115511140000063
表示第k个针在位置δk产生的电场强度，δk表示第k个针头产生的电场中的任一点的位置，μr表示相对磁导率，ξk表示积分常数，εr电介质的相对介电常数，j表示自由空间波数，σ表示组织的电导率，wk表示第k个针头的微波角频率，wk＝2πfk，fk表示第k个针头的微波频率，ε0表示真空的相对介电常数，
Figure FDA0003115511140000064
表示位置δk在第k个针头的二维坐标系中r轴上分量，rk第k个针头的直径，
Figure FDA0003115511140000065
为第k个针头的微波传播常数，λk为第k个针头的微波波长，zk表示第k个针头的传播介质阻，
Figure FDA0003115511140000066
表示第k个针头的微波天线中微波的平均功率抗，
Figure FDA0003115511140000067
表示第k个针头的外径，
Figure FDA0003115511140000068
表示第k个针头的内径；
在非重叠电场区域S″内组织中的第k个针头的电场如下：
Figure FDA0003115511140000069
δ'k表示第k个针头产生的非重叠电场区域
Figure FDA00031155111400000610
内的点；
在重叠电场区域S'内组织中的电场如下：
在重叠电场区域内，存在有不同的电场的耦合情况，重叠电场区域
Figure FDA00031155111400000611
即为电磁场耦合区域，则：
Figure FDA00031155111400000612
s.t：
Figure FDA00031155111400000613
其中，δ″h表示第h个电场叠加区域
Figure FDA0003115511140000071
内的点，
Figure FDA0003115511140000072
表示第h个电场叠加区域中点δ″h的电场强度，nh表示产生第h个电场叠加区域的针头个数，
Figure FDA0003115511140000073
表示第h个电场叠加区域的第
Figure FDA0003115511140000074
个针产生的电场强度；
步骤4，温度场模型
微波引起组织损伤的机理是微波能量转化为热能生物传热方程：
Figure FDA0003115511140000075
式中，ρ为组织密度，c为组织的比热，cb为血液的比热，K为组织的导热系数，T为体内组织的温度，
Figure FDA0003115511140000076
表示体内组织的温度随时间变化率，
Figure FDA0003115511140000077
为外部热源在点δ处的加热量，Qm为组织新陈代谢产热率，Wb为血液的灌注率，Tb为所在区域的动脉血温，
Figure FDA0003115511140000078
为拉普拉斯算子；
外部热源在点δ处的加热量：
Figure FDA0003115511140000079
其中，σ(δ)为生物体组织内δ点处的等效电导率，ρ(δ)为生物组织内δ点处质量密度。
8.根据权利要求7所述消融模拟系统建立方法，其特征在于：病灶区边缘外侧距离d为0.3-0.8cm。
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