水冷卻天線微波消融溫度場的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值分析.pdf

1、高溫?zé)崮淌菍⒛[瘤組織加熱到較高的溫度(一般為60℃即刻，或54℃保持一分鐘)而使腫瘤完全性壞死。近年來，隨著植入式微波技術(shù)、射頻技術(shù)及高能聚焦超聲技術(shù)的發(fā)展，高溫?zé)崮摊煼òl(fā)展迅速，已成為一種臨床實(shí)用的腫瘤治療手段。其共同特點(diǎn)是用物理的方法致局部組織溫度驟升，造成凝固區(qū)腫瘤組織的完全壞死。 由于腫瘤熱療對病人的傷害小、療效高，可以與其它治療手段同時(shí)采用并且可以有效、大幅地提高其它治療手段的療效。因此目前，腫瘤熱療已成為繼腫瘤的

2、手術(shù)、放療、化療和免疫療法之后的第五大療法，被國際醫(yī)學(xué)界稱之為“綠色療法”。 熱療中，要求輻射熱場準(zhǔn)確覆蓋腫瘤所在區(qū)域，使病灶升溫到有效治療高溫區(qū)，但又要避免正常組織過熱。如何準(zhǔn)確、迅速、全面地獲得熱區(qū)溫度分布，就成為熱療進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵所在。為達(dá)到這樣的目的，精確地對熱療過程中組織的溫度響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測是有極為重要意義的。 本文主要探討了微波作為腫瘤熱療加熱源時(shí)組織的溫度響應(yīng)特性。研究水冷卻天線微波消融溫度場的特性，客

3、觀地描述不同冷卻水流速下以及血管存在條件下的周圍組織溫升規(guī)律。探索計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測水冷卻天線微波消融溫度場的方法，以更好地將其應(yīng)用于臨床，更好地指導(dǎo)臨床上微波消融治療肝癌。 對微波加熱過程中溫度場的變化以及血管對于溫度場的影響，從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析兩個(gè)角度來探尋熱場的規(guī)律，主要完成以下四部分工作： (1)利用體模實(shí)驗(yàn)確定了天線的比吸收率，為數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)?？紤]到體模實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)的準(zhǔn)確及方便性，首先用水冷式微波天線加熱微波體

4、模，由于體模中沒有血液灌注率及代謝產(chǎn)熱，因而體模最初的溫升規(guī)律反映出微波的產(chǎn)熱能力，根據(jù)提取的溫度信號與時(shí)間的關(guān)系，采用二維擬合方法得出水冷式微波天線的比吸收率，從而為微波熱場的計(jì)算機(jī)模擬仿真和手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 (2)采用離體豬肝實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了天線比吸收率的正確性。首先用有限元方法求解生物傳熱方程，由于離體豬肝中不存在血灌及代謝產(chǎn)熱，從而簡化了方程；然后將求解出的溫度場與離體豬肝實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較，可以確定微波天線比吸收率

5、的正確性。同時(shí)獲得了不同作用時(shí)間、不同冷卻水流速下的熱凝固區(qū)的形狀、大小和變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)消融區(qū)的形狀呈梨形。由于冷卻水的影響，在Z<0(定義微波發(fā)射處為Z=0，沿天線后向有冷卻水的方向?yàn)閆<0，沿天線前向無冷卻水的方向?yàn)閆>0)范圍內(nèi)的凝固區(qū)比在Z>0范圍內(nèi)的凝固區(qū)小。在Z<0范圍內(nèi)，當(dāng)冷卻水的流速增加時(shí)，凝固區(qū)有輕微的減小。熱療溫度場最高溫度位于Z>0方向。 (3)從實(shí)驗(yàn)研究角度提出分支血管對于54℃凝固區(qū)的影響。體模實(shí)驗(yàn)

6、結(jié)果顯示，當(dāng)微波天線位于分支血管附近時(shí)，微波消融域沒有關(guān)于天線對稱，且此消融域在靠近血管一側(cè)出現(xiàn)了較大的溫度梯度。血流量越大，就會帶走越多的熱量，致使在血管周圍的組織達(dá)不到有效治療的溫度(54℃)，得到的微波消融域略有減小。當(dāng)天線遠(yuǎn)離血管時(shí)，微波消融域的形狀開始逐漸變圓，關(guān)于微波天線對稱，并且在兩個(gè)不同流量下的溫度等值線幾乎重合。當(dāng)血管與微波天線的距離超過20mm時(shí)，可以忽略血管對溫度場的影響。以上結(jié)果說明分支血管和微波天線之間的距離會

7、明顯地影響消融范圍，而血管內(nèi)的不同血液流量對于消融域的影響不大。 (4)用有限元法模擬單根和分支血管對于消融溫度場的影響?；谏飩鳠岱匠?，建立基于大血管對流效應(yīng)的生物傳熱模型，其中有單根血管的近似方法和分支血管的流場．熱場耦合模擬計(jì)算。探索了在單根血管、分支血管的影響下微波熱場分布的規(guī)律，為微波熱消融療法在臨床應(yīng)用中血管的處理方法提供了一些參考值。在臨床治療中，醫(yī)生可以根據(jù)腫瘤的位置、血液的流量和微波天線與血管之間的距離、方向