CN113768484A - 生物组织个性化血流灌注率评估方法及系统 - Google Patents

生物组织个性化血流灌注率评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及生物医学工程领域，公开了一种生物组织个性化血流灌注率评估方法及系统，基于周边血流对目标生物组织冷冻后融化过程的影响，通过边界对流换热原理建立计算局部组织个性化血流灌注率的算法，所述方法包括：获得所述目标生物组织经冷冻而形成的冰球的表面积；获得所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure DDA0002533476520000011
根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure DDA0002533476520000012
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率；输出所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率。

Description

生物组织个性化血流灌注率评估方法及系统
技术领域
本申请涉及生物医学工程领域，特别涉及医疗技术与计算机技术结合的数据处理技术领域。
背景技术
近年来，诸如肿瘤等的目标生物组织的物理消融作为一种微创消融方法，已经被广泛用于肝脏、肺、肾等良恶性肿瘤的治理中。常见的物理消融方法包括冷冻消融和加热消融。
具体的，多模态消融治疗通过将冷冻消融和加热消融结合，利用肿瘤内部快速温度变化产生的巨大热应力，彻底破坏肿瘤细胞，释放肿瘤抗原，激活机体对肿瘤的特异性免疫响应，治疗适用于各种实体瘤。基于多种动物高转移性肿瘤模型和大量实验结果，已证明了其效果，其生存率远高于手术切除。临床研究还表明，它可以延长患者的无病生存期。
具体的，为了最大程度地实现多模态消融治疗的效果，需要精确控制肿瘤的边界温度，以形成活性肿瘤抗原暴露的过渡区。但是，在实际手术过程中，尤其是在加热消融阶段，控制边界温度是很困难的。这主要是因为，病人的个性化血流情况会对消融区域的温度产生难以预估的影响。现有的多模态消融手术规划模型没有考虑个性化血流情况，与实际情况有较大差异。
因此，需要一种更简单有效地生物组织个性化血流情况行评估方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种生物组织个性化血流灌注率评估方法及系统，简单有效，有助于在热物理消融中精准控制目标生物组织，例如，肿瘤组织，的边界温度，从而更充分地发挥其疗效，也可以用于评估生物组织的生理特性。
本申请公开了一种生物组织个性化血流灌注率评估方法，基于周边血流对目标生物组织冷冻后融化过程的影响，通过边界对流换热原理建立计算局部组织个性化血流灌注率的算法，所述方法包括：
获得所述目标生物组织经冷冻而形成的冰球的表面积；
获得所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000022
根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000023
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率；
输出所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率。
优选地，所述根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000024
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率的步骤中，
Figure BDA0002533476500000021
式中，ωb是所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure BDA0002533476500000025
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，ρb是所述目标生物组织的血液密度，cb是所述目标生物组织的血液比热容，A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面，其中，所述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
优选地，所述方法还包含：根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000032
以及所述冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血液对流系数；以及
输出所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数。
优选地，所述根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000033
以及所述冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血液对流系数中，所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数通过以下方式计算：
Figure BDA0002533476500000031
其中，hb是所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure BDA0002533476500000034
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面其中，所述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
本申请还公开了一种生物组织个性化血流灌注率评估系统，基于周边血流对目标生物组织冷冻后融化过程的影响，通过边界对流换热原理建立计算局部组织个性化血流灌注率的算法，所述系统包括：
冰球尺寸获取单元，用于获得所述目标生物组织经冷冻而形成的冰球的表面积；
冰球温度场分布获取单元，用于获得所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000035
个性化血流灌注率获取单元，用于根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000036
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率；
输出单元，用于输出所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率。
优选地，所述个性化血流灌注率获取单元通过以下方式，根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000043
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率：
Figure BDA0002533476500000041
式中，ωb是所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure BDA0002533476500000044
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，ρb是所述目标生物组织的血液密度，cb是所述目标生物组织的血液比热容，A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面，其中，所述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
优选地，所述系统还包含：
个性化血液对流系数获取单元，用于根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000045
以及所述冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血液对流系数；以及
所述输出单元还用于输出所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数。
优选地，所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数获取单元通过以下方式计算所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数：
Figure BDA0002533476500000042
其中，hb是所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure BDA0002533476500000046
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面其中，所述述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
优选地，所述输出单元是显示屏。
本申请还公开了一种生物组织个性化血流灌注率评估设备包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行所述计算机可执行指令时实现如前文描述的方法中的步骤。
本申请还公开了一种计算机可读存储介质所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如前文描述的方法中的步骤。
本说明书的实施例中所提供的生物组织个性化血流灌注率评估系统及方法，能够在不增加额外测温损伤和设备的情况下，通过冷冻消融后形成的冰球的大小或温度状态评估个性化血流灌注率，简单有效，有助于精准控制目标生物组织的边界温度，从而更充分发挥多模态消融的疗效。
本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是根据本申请第二实施方式的生物组织个性化血流灌注率评估方法的流程示意图；
图2是根据本申请第一实施方式的生物组织个性化血流灌注率评估系统的结构示意图；
图3是根据本申请第一实施方式的生物组织个性化血流灌注率评估系统的探针示意图；
图4是根据本申请第一实施方式的生物组织个性化血流灌注率评估系统的实验结果示意图；
图5是根据本申请第一实施方式的生物组织个性化血流灌注率评估系统的实验结果示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
部分概念的说明：
血流情况，是指消融部位的血管丰富程度、血流流速等，血流情况可包含：血流灌注率，血液对流系数，等等。
多模态消融，包括冷冻消融阶段和随后的加热消融阶段，其中，冷冻消融的方式包括但不限于液氮消融，氩氦消融和低温酒精消融，加热消融的方式包括但不限于射频消融、微波消融和聚焦超声消融。
冰球：是指目标生物组织，例如，肿瘤组织经过冷冻后形成的冰冻组织。
复温温度，是指冰球在复温一段时间之后的温度，可通过治疗探针的针尖测量，参见图3。
个性化血流灌注率，是指诸如肿瘤等的目标生物组织在单位时间内流入组织内的血液量。
个性化血液对流系数，是指血液与诸如肿瘤等目标生物组织表面之间的换热能力。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。本申请的第一实施方式涉及一种生物组织个性化血流灌注率评估方法，基于周边血流对目标生物组织冷冻后融化过程的影响，通过边界对流换热原理，建立计算局部组织个性化血流灌注率的算法，所述个性化血流情况包含目标生物质，例如，肿瘤组织的个性化血流灌注率，其流程如图1所示，包含：
步骤110：获得冰球的表面积。
需指出，此步骤前先由组织冷冻单元使目标生物组织形成冰球。如上所述，目标生物组织可以是肿瘤组织。
需指出，冰球的表面积可通过不同方式获取。
优选地，冰球的表面积可通过X光机、CT机、MRI机或超声机中的任意一种获得。
优选地，冰球的表面积还可以通过它与冰球的复温温度之间的关系式换算获得。具体的，可先获得冰球的复温温度，再根据所述复温温度确定所述冰球对应的径向和轴向尺寸，然后根据所述径向和轴向尺寸确定所述冰球对应的表面积。
优选地，冰球复温一端时间后的复温温度可通过治疗探针内部热电偶得到。
这样做的好处在于，不但可保证复温温度的精度，又避免对病人增加额外的损伤。
优选地，在获得冰球的复温温度时，复温过程的时长是可选的。例如，可选择复温5分钟后的温度作为复温温度。复温时长也可以更长或更短，只要此时的温度在冰点以上且低于正常体温1℃以上。
优选地，所述冰球的径向和轴向尺寸与对应的复温温度之间具有以下对应关系：
lradial＝-0.1408T5+43.807，和/或
laxial＝-0.2816T5+27.113。
步骤120：获得冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000082
优选地，可根据固体传热方程，计算冷冻治疗阶段结束后，冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000083
具体的，根据以下方式计算冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000084
Figure BDA0002533476500000081
其中，T是目标生物组织温度，k是目标生物组织的导热系数，t是时间，ρ是目标生物组织的密度，c是目标生物组织的比热容。由此，计算出温度场分布，即可获得冰球表面的温度梯度及其随时间的变化。
步骤130，根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000085
以及所述冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血流灌注率。
优选地，可根据以下方式确定所述目标生物组织周围的血流灌注率：
Figure BDA0002533476500000091
式中，ωb是所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure BDA0002533476500000093
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，ρb是所述目标生物组织的血液密度，cb是所述目标生物组织的血液比热容，A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面，其中，所述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
步骤140：根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000094
以及冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血液对流系数，其中，
Figure BDA0002533476500000092
其中，hb是目标生物组织周围的个性化血液对流系数，k是目标生物组织的导热系数，
Figure BDA0002533476500000095
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，可预先设置，例如，优选地，可设置为冷冻结束时冰球表面的血流温度8℃，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，可预先设置，例如，优选地，可设置为冷冻结束时冰球表面的温度0℃，A是冰球表面积，Σ是冰球表面。
需指出，在本说明书的实施例中，由于冷冻的目标生物组织，即，冰球覆盖的区域，比该组织稍大，因此，可优选地将冰球边界作为组织边界，进行计算。
优选地，对于冷冻消融稳态温度场分布，假设通过冷冻消融使冰球内的血管全部被破坏，没有血液在冰球内部流动，在这种情况下，可在冰球边界内采用热传导模型，作为生物传热模型，计算冷冻消融稳态温度场分布，该模型可由以下方程描述：
Figure BDA0002533476500000101
其中，T是目标生物组织温度，k是目标生物组织的导热系数，t是时间，ρ是目标生物组织的密度，c是目标生物组织的比热容。优选地，目标生物组织的导热系数(例如肝脏的导热率)k可由以下方程描述：
Figure BDA0002533476500000102
其中，T表示目标生物组织温度。
优选地，目标生物组织的比热容(例如肝脏的比热容)c可由以下方程描述：
Figure BDA0002533476500000103
其中，T表示目标生物组织的温度。
进一步的，冰球周围的血液对流条件可表示为
Figure BDA0002533476500000104
其中，
Figure BDA0002533476500000105
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，k是目标生物组织的导热系数，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，hb是个性化血液对流系数。
优选地，假设预冷冻目标生物组织外部的状况受预冷冻目标生物组织的中心温度的影响较小，可将按以上方式计算得到的个性化血液对流系数作为复温和射频消融过程的常数。
优选地，假设预冷冻目标生物组织外部的状况受预冷冻目标生物组织的中心温度的影响较小，可将按以上方式计算得到的目标生物组织周围的个性化血流灌注率作为复温和射频消融过程的常数。
步骤150：输出所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率以及个性化血液对流系数。
优选的，通过显示屏输出所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数和个性化血流灌注率。
需指出，如上所述，血流情况可以包含个性化血流灌注率，还可以进一步包括个性化血液对流系数。因此，如果血流情况仅包含个性化血流灌注率，在本步骤中输出个性化血流灌注率即可。
需指出，在本说明书的实施例中，对个性化血流灌注率与个性化血液对流系数的获取顺序不做限定。
需指出，本说明书的实施例中，目标生物组织可以是肿瘤组织，但不限于此，也可以是其它目标生物组织，例如，肝脏，膀胱，前列腺，等等。
本申请的第二实施方式涉及一种生物组织个性化血流灌注率评估系统，该系统基于周边血流对目标生物组织冷冻后融化过程的影响，通过边界对流换热原理，建立计算局部组织个性化血流灌注率的算法。优选地，以先采用液氮消融，再采用射频消融的多模态消融为例，其流程如图2所示，包含：
冰球尺寸获取单元，用于获得所述目标生物组织经冷冻而形成的冰球的表面积；
冰球温度场分布获取单元，用于计算所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000111
个性化血流灌注率获取单元，用于通过以下方式，根据冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000122
以及冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血流灌注率：
Figure BDA0002533476500000121
式中，ωb是所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure BDA0002533476500000123
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，ρb是所述目标生物组织的血液密度，cb是所述目标生物组织的血液比热容，A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面，其中，所述T(t)和Tbf(t)为预先设置的
输出单元，用于输出所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率。
进一步的，本说明书的生物组织个性化血流灌注率评估系统还可以包含：
个性化血液对流系数获取单元，用于根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure BDA0002533476500000124
以及冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数；以及
输出单元还用于输出所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数。
下面对生物组织个性化血流灌注率评估系统进行具体解释说明。
具体的，冰球尺寸获取单元可通过不同装置确定冰球的表面积，例如，优选地，冰球尺寸获取单元可以是以下之一：X光机、CT机、MRI机或超声机中。
优选地，冰球的表面积还可以通过它与冰球的复温温度之间的关系式换算获得。具体的，冰球尺寸获取单元可先获得冰球的复温温度，再根据所述复温温度确定所述冰球对应的径向和轴向尺寸，然后根据所述径向和轴向尺寸确定所述冰球对应的表面积。
优选地，如图3所述，冰球复温一端时间后的复温温度可通过治疗探针内部热电偶得到。
这样做的好处在于，不但可保证复温温度的精度，又避免对病人增加额外的损伤。
优选地，在获得冰球的复温温度时，复温过程的时长是可选的。例如，可选择复温5分钟后的温度作为复温温度。复温时长也可以更长或更短，只要此时的温度在冰点以上且低于正常体温1℃以上。
例如，优选地，所述冰球的径向和轴向尺寸与对应的复温温度之间具有以下对应关系：
lradial＝-0.1408T5+43.807，和/或
laxial＝-0.2816T5+27.113。
优选地，冰球温度场分布获取单元根据以下方式计算冰球表面的温度梯度
Figure BDA0002533476500000133
Figure BDA0002533476500000131
其中，T是目标生物组织温度，k是目标生物组织的导热系数，t是时间，ρ是目标生物组织的密度，c是目标生物组织的比热容。由此，计算出温度场分布，即可获得冰球表面的温度梯度及其随时间的变化。
优选地，个性化血液对流系数获取单元通过以下方式，根据冰球表面的温度梯度▽T,以及冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血液对流系数：
Figure BDA0002533476500000132
其中，hb是目标生物组织周围的个性化血液对流系数，k是目标生物组织的导热系数，
Figure BDA0002533476500000134
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，可预先设置，例如，优选地，可设置为冷冻结束时冰球表面的血流温度8℃，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，可预先设置，例如，优选地，可设置为冷冻结束时冰球表面的温度0℃，A是冰球表面积，Σ是冰球表面。
需指出，在本说明书的实施例中，由于冷冻的目标生物组织，即，冰球覆盖的区域，比组织稍大，因此，可优选地将冰球边界作为组织边界，进行计算。
进一步需指出，在本说明书的实施例中：
优选地，对于冷冻消融稳态温度场分布，假设通过冷冻消融使冰球内的血管全部被破坏，没有血液在冰球内部流动，在这种情况下，可在冰球边界内采用热传导模型，作为生物传热模型，计算冷冻消融稳态温度场分布，该模型可由以下方程描述：
Figure BDA0002533476500000141
其中，T是目标生物组织温度，k是目标生物组织的导热系数，t是时间，ρ是目标生物组织的密度，c是目标生物组织的比热容。优选地，目标生物组织的导热系数(例如肝脏的导热率)k可由以下方程描述：
Figure BDA0002533476500000142
其中，T表示目标生物组织温度。
优选地，目标生物组织的比热容(例如肝脏的比热容)c可由以下方程描述：
Figure BDA0002533476500000151
其中，T表示目标生物组织的温度。
进一步的，冰球周围的血液对流条件可表示为
Figure BDA0002533476500000152
其中，
Figure BDA0002533476500000153
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，k是目标生物组织的导热系数，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，hb是个性化血液对流系数。
优选地，假设预冷冻目标生物组织外部的状况受预冷冻目标生物组织的中心温度的影响较小，个性化血液对流系数获取单元可将按以上方式计算得到的个性化血液对流系数作为复温和射频消融过程的常数。
优选地，假设预冷冻目标生物组织外部的状况受预冷冻目标生物组织的中心温度的影响较小，个性化血液对流系数获取单元可将按以上方式计算得到的目标生物组织周围的个性化血流灌注率作为复温和射频消融过程的常数。
优选地，输出单元可以是显示屏，用于输出所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率以及个性化血液对流系数。输出单元也可以是一个数据发送的部件，用于将个性化血流灌注率以及个性化血液对流系数发送到指定的目标部件。
本说明书的实施例中所提供的生物组织个性化血流灌注率评估系统，能够在不增加额外测温损伤和设备的情况下，通过冷冻消融后形成的冰球的大小或温度状态评估个性化血流灌注率，简单有效，有助于精准控制目标都是无组织，例如，肿瘤组织，的边界温度，从而更充分发挥多模态消融的疗效。
实验结果：
为了验证本说明书的实施例的技术效果，申请人对两只猪进行了体内实验，每头猪的体重为55-60kg。通过CT机确定探针与探针外热电偶的相对位置，同时用于确定冰球大小。
根据上述方式计算出的猪肝3个位置的个性化血液对流系数分别为1514、1850和2077W/m2·k。它们被用于复温过程的仿真，结果如表1所示。仿真得到的复温探针尖端温度与测得的温度之间的差异很小，最大误差约为5％，平均误差约为3.8％。
这表明，根据上述方式计算出的个性化血液对流系数十分接近实际情况，简化模型可以很好地模拟冻结和复温过程。
进一步的，计算出的个性化血流灌注率分别是0.048、0.059和0.065 1/s，在本领域公认的合理范围内。
表1
位置 复温时长(s) 测得温度(℃) 仿真温度(℃)
1 486 25.3 26.53
2 396 26.81 27.794
3 335 26.34 26.143
通过多组实验数据，拟合得到个性化血液对流系数与复温5分钟的针尖温度之间的关系为：
Figure BDA0002533476500000161
其中，T5表示复温5分钟的针尖温度。
同时，冰球的大小也可以与复温温度通过如下关系式相互换算：
lradial＝-0.1408T5+43.807
laxial＝-0.2816T5+27.113
因此，关系式计算模块1022的输入既可以是冷冻消融后形成的冰球大小也可以是复温一段时间后的温度。
进一步的，图4显示了后续加热消融的仿真中采用目标生物组织周围的个性化血流灌注率、采用现有技术所常用个性化血流灌注率，与实际测量的治疗针外热电偶温度对比图。其中，曲线41表示实测温度曲线，曲线42表示采用非个性化血流情况的模型仿真温度曲线，曲线43表示采用本说明书的实施例得到的个性化血流情况的模型仿真温度曲线。
在该实验位置，外部热电偶比探针针尖高9.6mm，距离中心轴8.6mm。本实施例通过控制射频电压，可将探针针尖温度控制在95℃，持续15分钟。模型将包括冰球在内的整个治疗区域进行建模，在整体采用Pennes生物传热模型，目标生物组织周围的个性化血流灌注率为0.059 1/s，而非目标生物组织周围的个性化血流灌注率设置为在肝脏中常用0.00641/s。
治疗15分钟后，采用本说明书的实施例得到的个性化血流情况的模型仿真温度曲线43，比采用非个性化血流情况的模型仿真温度曲线42更加接近实测温度曲线41，说明评估得到的个性化血流灌注情况接近真实情况。
图5是三组在后续加热消融的仿真中采用目标生物组织周围的个性化血流灌注率与实际测量的治疗针外热电偶温度对比图。其中，曲线51、53与55表示仿真温度曲线，52、54和56表示实测温度曲线。
在这3个实验位置中，本说明书的实施例的外部热电偶分别比探针针尖高3.3mm，9.6mm和10.4mm，距中心轴分别为5.5mm，8.6mm和5.1mm。第一和第二个位置的治疗探针针尖被控制在95℃而第三个位置的治疗探针针尖被控制在65℃。
治疗15分钟后，本实施例的仿真温度曲线51、53与55和实测温度曲线52、54和56之间的最大温差均在0.5℃以内，说明满足温控精准度要求。
本说明书的实施例中所提供的生物组织个性化血流灌注率评估系统及方法，能够在不增加额外测温损伤和设备的情况下，通过冷冻消融后形成的冰球的大小或温度状态评估个性化血流灌注率，简单有效，有助于精准控制肿瘤边界温度，从而更充分发挥多模态消融的疗效。
需要说明的是，本领域技术人员应当理解，上述生物组织个性化血流灌注率评估系统的实施方其中所示的各模块的实现功能可参照前述生物组织个性化血流灌注率评估方法的相关描述而理解。上述生物组织个性化血流灌注率评估系统的实施方其中所示的各模块的功能可通过运行于处理器上的程序(可执行指令)而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。本申请实施例上述生物组织个性化血流灌注率评估系统如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，ReadOnly Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本申请实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
相应地，本申请实施方式还提供一种计算机存储介质，其中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现本申请的各方法实施方式。
此外，本申请实施方式还提供一种生物组织个性化血流灌注率评估设备，其中包括用于存储计算机可执行指令的存储器，以及，处理器；该处理器用于在执行该存储器中的计算机可执行指令时实现上述各方法实施方其中的步骤。其中，该处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，简称“CPU”)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称“DSP”)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称“ASIC”)等。前述的存储器可以是只读存储器(read-onlymemory，简称“ROM”)、随机存取存储器(random access memory，简称“RAM”)、快闪存储器(Flash)、硬盘或者固态硬盘等。本发明各实施方式所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种生物组织个性化血流灌注率评估方法，其特征在于，所述方法基于周边血流对目标生物组织冷冻后融化过程的影响，通过边界对流换热原理建立计算局部组织个性化血流灌注率的算法，所述方法包括：
获得所述目标生物组织经冷冻而形成的冰球的表面积；
获得所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000011
根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000012
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率；
输出所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000013
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率的步骤中，
Figure FDA0002533476490000014
式中，ωb是所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure FDA0002533476490000015
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，ρb是所述目标生物组织的血液密度，cb是所述目标生物组织的血液比热容，A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面，其中，所述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000016
以及所述冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血液对流系数；以及
输出所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000021
以及所述冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血液对流系数中，所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数通过以下方式计算：
Figure FDA0002533476490000022
其中，hb是所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure FDA0002533476490000023
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面其中，所述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
5.一种生物组织个性化血流灌注率评估系统，其特征在于，所述系统基于周边血流对目标生物组织冷冻后融化过程的影响，通过边界对流换热原理建立计算局部组织个性化血流灌注率的算法，所述系统包括：
冰球尺寸获取单元，用于获得所述目标生物组织经冷冻而形成的冰球的表面积；
冰球温度场分布获取单元，用于获得所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000024
个性化血流灌注率获取单元，用于根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000025
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率；
输出单元，用于输出所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述个性化血流灌注率获取单元通过以下方式，根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000026
以及所述冰球的表面积，确定所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率：
Figure FDA0002533476490000031
式中，ωb是所述目标生物组织周围的个性化血流灌注率，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure FDA0002533476490000032
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度，ρb是所述目标生物组织的血液密度，cb是所述目标生物组织的血液比热容，A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面，其中，所述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包含：
个性化血液对流系数获取单元，用于根据所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化
Figure FDA0002533476490000033
以及所述冰球的表面积，确定目标生物组织周围的个性化血液对流系数；以及
所述输出单元还用于输出所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数获取单元通过以下方式计算所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数：
Figure FDA0002533476490000034
其中，hb是所述目标生物组织周围的个性化血液对流系数，k是所述目标生物组织的导热系数，
Figure FDA0002533476490000035
是所述冰球表面的温度梯度及其随时间的变化，Tbf(t)是所述冰球表面随时间变化的血流温度，T(t)是所述冰球表面随时间变化的温度A是所述冰球的表面积，Σ是所述冰球的表面其中，所述述T(t)和Tbf(t)为预先设置的。
9.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述输出单元是显示屏。
10.一种生物组织个性化血流灌注率评估设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行所述计算机可执行指令时实现如权利要求1至4中任意一项所述的方法中的步骤。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1至4中任意一项所述的方法中的步骤。
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