CN114224478A - 基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，包括如下步骤：S1、通过对组织样品进行差示扫描量热相变分析，获取DSC曲线；S2、根据曲线，选取合适的阈值温度T；S3、获取组织升温到此温度阈值所需的时间t；S4、建立以t为脉冲时间的间歇式微波消融模式，按照设定间歇式消融模式进行微波消融仿真与实际消融，选取出最优的微波消融模式。本发明提供了一种脉冲间歇式微波消融模式，可以极大地减少碳化成分，从而减少炎症、发热等副作用，提高患者术后生存质量；可以极大地减少碳化成分，从而扩大微波消融的有效范围，增大微波消融区域的轴比，使消融区域更加接近球形，更贴近临床医生追求的治疗目标。
Description
技术领域
本发明涉及微波消融治疗技术领域，尤其是一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法。
背景技术
在微波消融治疗过程中，有限作用范围内的直接能量沉积会导致微波天线周围组织中心温度过高，出现高度干燥的碳化组织。这些碳化的成分会阻碍天线的热传导，从而限制凝固区的区域。此外，在脾脏等一些器官的微波消融过程中，拔针过程中碳化组织对周边组织的挤压和撕脱会导致出血，碳化成分也会引起和全身炎症反应以及高烧等副作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，使消融区域更加接近球形，更贴近临床医生追求的治疗目标。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，包括如下步骤：
S1、通过对组织样品进行差示扫描量热相变分析，获取DSC曲线；
S2、根据曲线，选取合适的阈值温度T；
S3、获取组织升温到此温度阈值所需的时间t；
S4、建立以t为脉冲时间的间歇式微波消融模式，按照设定间歇式消融模式进行微波消融仿真与实际消融，选取出最优的微波消融模式。
优选的，步骤S1中，差示扫描量热相变分析法是在程序控制温度升温条件下，测量样品与参比物的功率差，并绘制出随温度变化的曲线，即DSC曲线。
优选的，步骤S2中，阈值温度是根据DSC曲线选取得到，且必须小于组织碳化温度；根据DSC曲线，选取出组织吸热速率最大值时的温度T1，将温度T1与组织碳化温度T2对比；若T1≤T2，则以T1为阈值温度；若T1>T2，则以T2为阈值温度。
优选的，步骤S3中，组织升温到此温度阈值所需的时间t是通过微波消融与温度监测系统得到。
优选的，微波消融与温度监测系统包括微波消融与温度监测模块9和微波消融与温度采集一体针10，微波消融与温度监测模块在2450MHZ微波频率下输出微波，功率1-120W可调，时间0-30分钟可调，并根据监测到的温度进行微波输出参数的实时调制；微波消融与温度采集一体针集微波消融和温度采集功能于一体，测量范围为0-250℃，每秒可测量两个温度数据，微波消融与温度采集一体针采集得到的温度传输至微波消融与温度监测模块。
优选的，步骤S4中，以t为脉冲时间的间歇式微波消融模式是设置周期性脉冲，脉冲输出时间为t，设置不同的暂停时间tn，t+tn为一个周期，实现间歇脉冲式微波输出消融，进行仿真和实际消融，选取最有的微波消融模式。
优选的，微波消融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天线、组织几何模型构建，具体包括如下步骤：
(1)构建消融模型，分为组织和消融针针体；针体包括穿刺针头、不锈钢针杆、同轴电缆和绝缘介质套四个部分，其结构参数与实际选用的微波消融与温度采集一体针保持一致；
(2)材料参数、电磁辐射参数与生物热传导参数设置，组织的恒压热容Cp(T)，导热系数к，密度ρ，相对介电常数εr(T)，电导率σ(T)等参数。
本发明的有益效果为：(1)提供了一种脉冲间歇式微波消融模式，可以极大地减少碳化成分，从而减少炎症、发热等副作用，提高患者术后生存质量；(2)提供了一种脉冲间歇式微波消融模式，可以极大地减少碳化成分，从而扩大微波消融的有效范围，增大微波消融区域的轴比，使消融区域更加接近球形，更贴近临床医生追求的治疗目标。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程示意图。
图2为本发明实施例所获得的离体猪肝的DSC曲线图。
图3为本发明实施例微波消融与温度采集一体针结构示意图。
图4为本发明实施例微波消融与温度监测系统示意图。
图5(a)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式(消融功率为50W，有效消融时间为300s)示意图。
图5(b)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式(消融功率为50W，有效消融时间为900s)示意图。
图5(c)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式(消融功率为50W，有效消融时间为1200s)示意图。
图5(d)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式(消融功率为50W，有效消融时间为1500s)示意图。
图6(a)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝仿真消融效果(消融功率为50W，有效消融时间为300s)示意图。
图6(b)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝仿真消融效果(消融功率为50W，有效消融时间为900s)示意图。
图6(c)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝仿真消融效果(消融功率为50W，有效消融时间为1200s)示意图。
图6(d)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝仿真消融效果(消融功率为50W，有效消融时间为1500s)示意图。
图7(a)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝实际消融效果(消融功率为50W，有效消融时间为300s)示意图。
图7(b)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝实际消融效果(消融功率为50W，有效消融时间为900s)示意图。
图7(c)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝实际消融效果(消融功率为50W，有效消融时间为1200s)示意图。
图7(d)为本发明实施例连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝实际消融效果(消融功率为50W，有效消融时间为1500s)示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，包括如下步骤：
S1、首先通过对组织样品进行差示扫描量热相变分析，获取DSC曲线；
S2、根据曲线，选取合适的阈值温度T；
S3、获取组织升温到此温度阈值所需的时间t；
S4、建立以t为脉冲时间的间歇式微波消融模式，按照设定间歇式消融模式进行微波消融仿真与实际消融，选取出最优的微波消融模式。
如图2所示是一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法所获得的离体猪肝的DSC曲线图；图中是12组猪肝样品的DSC曲线，可以发现，猪肝在90℃-120℃之间进入快速吸热期，最大吸热速率对应的温度在105℃±5℃。所以选取100℃作为阈值温度。
如图3所示是根据本发明实施例一种基于组织温度实时反馈的微波消融碳化成分调控方法的微波消融与温度监测系统中的微波消融与温度采集一体针结构图；1为微波接口线，2为温度接口线，3为手柄，4为针杆；5为测温导线，6为薄膜热敏电阻，7为介质套管(微波能量辐射点)，8为穿刺针头。
针杆长度为180mm，外径为1.9mm；温度接口线在手柄内部与测温导线电气相连；薄膜电阻是厚度<100μm的贴片式电阻，电阻位于针杆尾端，紧挨介质套管。
如图4所示是根据本发明实施例一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法的微波消融与温度监测系统图；9为微波消融与温度监测模块，10为微波消融与温度采集一体针，11为离体猪肝。
微波消融与温度监测模块可在2450MHZ微波频率下输出微波，功率1-120W可调，时间0-30分钟可调，并可根据监测到的温度进行微波输出参数的实时调制，支持随时暂停或者结束消融；所述微波消融与温度采集一体针集微波消融和温度采集功能于一体，测温位点位于针杆与介质套管连接处(微波能量辐射点)测量范围为0-250℃，每秒可测量两个温度数据。微波接口线与微波消融与温度监测模块电气相连，温度接口线与微波消融与温度监测模块电气相连。
经过多次实验，离体猪肝从室温升高到100℃所需的时间稳定在10s±1s，所以将10s作为组织升温到阈值温度的时间。
如图5(a)-(d)所示为一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法的连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式(消融功率为50W，有序消融时间为300s)，共有四种模式：a:50W-300s-连续输出；b:50W-消融10s-暂停20s-总共900s(周期为30s)；c:50W-消融10s-暂停30s-总共1200s(周期为40s)；b:50W-消融10s-暂停40s-总共1500s(周期为50s)。
如图6(a)-(d)所示是一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法的连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝仿真消融效果图；
仿真模型中，消融针按照实际消融针的尺寸规格进行设计，消融模型包括：穿刺针头(前端11mm)，不锈钢针杆(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。
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(T)，导热系数к，密度ρ，相对介电常数εr(T)，电导率σ(T)等随时间变化的模型，这些参数随温度T的变化如下：
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。
构建好仿真模型，选择对应的功率和时间输出模式，即可获得对应的仿真消融效果。从图5(a)-(d)中可以看出，相比其它三种模式，50W-消融10s-暂停40s-总1500s模式下具有最少的碳化和最大的轴比。
如图7(a)-(d)所示是一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法的连续微波输出模式与脉冲间歇微波输出模式的离体猪肝实际消融效果图。
从图7(a)-(d)中可以看出，相比其它三种模式，50W-消融10s-暂停40s-总1500s模式下具有最少的碳化区域(图7中焦黑色蜂窝状区域)和最大的轴比，这与仿真的结果保持一致。
表1为不同模式下碳化区域大小与消融区域轴比，可以看出，相比于50W-10s-40s-1500s消融模式的消融区域虽然比50W-300s在长径上略小了一点，但其碳化区域要明显小的多，且其消融区域的轴比达到了0.765。
表1不同模式下碳化区域大小与消融区域轴比(mm)
Claims (7)
1.一种基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过对组织样品进行差示扫描量热相变分析，获取DSC曲线；
S2、根据曲线，选取合适的阈值温度T；
S3、获取组织升温到此温度阈值所需的时间t；
S4、建立以t为脉冲时间的间歇式微波消融模式，按照设定间歇式消融模式进行微波消融仿真与实际消融，选取出最优的微波消融模式。
2.如权利要求1所述的基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，其特征在于，步骤S1中，差示扫描量热相变分析法是在程序控制温度升温条件下，测量样品与参比物的功率差，并绘制出随温度变化的曲线，即DSC曲线。
3.如权利要求1所述的基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，其特征在于，步骤S2中，阈值温度是根据DSC曲线选取得到，且必须小于组织碳化温度；根据DSC曲线，选取出组织吸热速率最大值时的温度T1，将温度T1与组织碳化温度T2对比；若T1≤T2，则以T1为阈值温度；若T1>T2，则以T2为阈值温度。
4.如权利要求1所述的基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，其特征在于，步骤S3中，组织升温到此温度阈值所需的时间t是通过微波消融与温度监测系统得到。
5.如权利要求4所述的基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，其特征在于，微波消融与温度监测系统包括微波消融与温度监测模块(9)和微波消融与温度采集一体针(10)，微波消融与温度监测模块(9)在2450MHZ微波频率下输出微波，功率1-120W可调，时间0-30分钟可调，并根据监测到的温度进行微波输出参数的实时调制；微波消融与温度采集一体针(10)集微波消融和温度采集功能于一体，测量范围为0-250℃，每秒可测量两个温度数据，微波消融与温度采集一体针(10)采集得到的温度传输至微波消融与温度监测模块(9)。
6.如权利要求1所述的基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，其特征在于，步骤S4中，以t为脉冲时间的间歇式微波消融模式是设置周期性脉冲，脉冲输出时间为t，设置不同的暂停时间tn，t+tn为一个周期，实现间歇脉冲式微波输出消融，进行仿真和实际消融，选取最有的微波消融模式。
7.如权利要求6所述的基于组织吸热速率的脉冲间歇微波输出式少碳化消融调控方法，其特征在于，微波消融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天线、组织几何模型构建，具体包括如下步骤：
(1)构建消融模型，分为组织和消融针针体；针体包括穿刺针头、不锈钢针杆、同轴电缆和绝缘介质套四个部分，其结构参数与实际选用的微波消融与温度采集一体针保持一致；
(2)材料参数、电磁辐射参数与生物热传导参数设置，组织的恒压热容Cp(T)，导热系数к，密度ρ，相对介电常数εr(T)，电导率σ(T)参数。
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|---|---|---|---|---|
| CN116898568A (zh) * | 2023-08-08 | 2023-10-20 | 南京康友医疗科技有限公司 | 一种防止组织炸裂的微波消融系统 |
| CN116898568B (zh) * | 2023-08-08 | 2024-03-08 | 南京康友医疗科技有限公司 | 一种防止组织炸裂的微波消融系统 |
| CN117243689A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-19 | 南京康友医疗科技有限公司 | 一种防止组织碳化的微波消融系统 |
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