微波凝固治疗肝肿瘤热场分布的模拟测量方法技术

本发明专利技术名称为：微波凝固治疗肿瘤热场分布的模拟测量方法。它是微波用于凝固治疗肿瘤过程中热场分布的模拟测量方法。包括如下步骤：１）、制作微波辐射场模拟测量装置，２）、将微波天线置入模拟测量装置内，并在相应位置设置测量热电偶，所述热电偶与数据采集器相连，所述数据采集器与计算机相连，３）、在模拟测量装置内坯入组织微波体模，４）、测出不同能量的微波辐射在设置所述热电偶的位置处温度随时间的变化，将数据代入生物传热方程，得到微波单位体积和单位时间辐射能量ＳＡＲ，将ＳＡＲ代入其分布函数方程，通过计算机解此联立方程，即可求得分布函数方程的各项系数，得到微波辐射三维热场的分布函数，从而可以获取指定时间在指定点的温度。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微波辐射热场的测量方法，特别是微波用于凝固治疗肿瘤过程中热场分布的模拟测量方法。本专利技术的技术方案是这样的它包括如下步骤1、制作微波辐射场模拟测量装置，2、将微波引导针及微波天线置入所述模拟测量装置内，并在模拟测量装置内距离微波天线的一定位置设置测量热电偶，所述热电偶与数据采集器相连，所述数据采集器与计算机相连，3、在所述模拟测量装置内坯入组织微波体模，4、测出不同能量的微波辐射在设置所述热电偶的位置处温度随时间的变化，将数据代入生物传热方程，得到单位体积和单位时间微波辐射能量SAR，将SAR代入其分布函数方程，通过计算机解此联立方程，即可求得分布函数方程的各项系数，得到微波辐射三维热场的分布函数，从而可以获取指定时间在指定点的温度，所述生物传热方程为SAR＝ρCdT/dt-KΔT+MbCb(T-Tb)其中ρ为组织密度(kg/m3)，C为比热，T为温度，t为时间，K为组织的导热系数(W/m·℃)，Mb、Cb分别为血液的灌注率(kg/m3·S)和比热(J/kg·℃)，Tb为该区域的动脉血温(℃)。所述微波辐射能量SAR分布函数方程SAR＝ρCe-aZ根据预实验微波辐射能量SAR分布函数为平面分布函数SAR＝ρCe-aZ上述微波辐射模拟装置包括一中空的有机玻璃框架及能搁置该框架的支撑罩，在所述框架四个边框的两个对边对称设置有一对直径大于1毫米的导引针通孔，在所述导引针通孔的一侧间隔相等距离设置有一对或一对以上的直径小于1毫米的拉线通孔，所述每对拉线通孔上设置有拉线，所述拉线上设置有热电偶。所述支撑槽由有机玻璃制成。上述拉线通孔为5对，其间距为5毫米。上述拉线上设置的热电偶为16个。一种实现的装置，包括可放置微波天线的微波辐射模拟装置，所述模拟装置内距离微波天线一定距离设置有多个热电偶，所述热电偶与数据采集器相连，所述数据采集器与计算机相连。技术效果本专利技术提供了一种能获得微波凝固治疗肿瘤三维模拟热场动态分布的测量方法，即通过在微波体模上预定距离设点，测出相应位置体模受微波辐射后组织温度随时间的变化，通过将生物传热方程与有限元分析得到的微波辐射能量SAR的分布方程结合，通过计算机对方程组联立求解，得到微波辐射能量SAR分布方程的各项系数，从而获得微波凝固治疗肝肿瘤三维模拟热场动态分布，在微波治疗前即能动态地得知微波在作用中任何一个空间位点在指定时间内的温度，无创地获取三维温度场的信息。在具体治疗前，通过对实际病例分析，只需更改部分参数(如血流灌注率，导热率等)，即可术前预测温度场，将微波治疗建立在具有预见性的基础上，并且在治疗时能获得治疗区的实时三维化热场分布。具体实施例方式在此以肝肿瘤的微波凝固热场模拟测量为例，其它组织的肿瘤病变模拟测量步骤相同，只是将肝体模换为其他组织体模或将预试验的离体猪肝换为其他立体动物组织。本专利技术的设计思想为利用有限元分析方法，求解单位时间内单位(肿瘤)组织所吸收的微波辐射能量(SAR-Specific Absorption Rate)，通过计算机模拟植入式微波凝固治疗肝肿瘤的动态三维热场。欲求解SAR，根据简化的Pennes方程ρcdT/dt＝Qr+KΔT-MbCb(T-Tb)＝SAR+KΔT-MbCb(T-Tb)其中ρ为组织密度(kg/m3)，c为比热，T为温度，t为时间，K为组织的导热系数(W/m·℃)，Mb、Cb分别为血液的灌注率(kg/m3·s)和比热(J/kg·℃)，Tb为该区域的动脉血温(℃)，由此可知测量某点处的温度变化率便可得到该点的SAR值。因此，根据经验先假定SAR沿三个坐标轴的分布函数，例如r方向为指数衰减，z方向为三次多项式拟合(如果对z方向SAR分布的全域感兴趣，在此范围内SAR分布通常较复杂，不能用一个简单的三次多项式来拟合，此时可采用分段拟合)，θ方向为余弦函数。然后把它们组合成以下方程式形式的SAR三维分布函数。SAR＝ρce-αz为检验微波场是否对称分布同时寻找微波辐射天线发射时温度的最高点(中心点)，进行了以下预实验。验证r方向、θ方向上的对称性在离体猪肝上分别选择r＞0，r＜0，不同的θ角，进行四个不同方向上的对称点连续测温，实验布点图见表预实验坐标表 结果在同一半径不同四个方向上所测温升规律及温度值极为相近(ΔT＜3℃)，作用后沿矢状面及冠状面切开肝脏标本，肉眼观察其变性区以微波辐射天线为中心对称分布，因此可以证明单极植入式微波天线在r方向，θ方向呈对称分布，因而可将SAR求解当作二维问题处理。同时通过在z方向布点的方法找到了凝固球体最大横径所对应的是微波天线中心点，为距天线尖端15mm处。r方向坐标对称点测温的结果表明，z＞0温升速度较快，温度较高，z＜0温升相对平缓，温度较低，因此微波场在z方向上的热场是非对称性的，正式测量必须分别求解z＞0、z＜0时SAR衰减规律。根据预实验的结果，可以制作简单的二维试验模型进行测量，将测量结果代入生物传热方程，得到微波辐射能量SAR，将数组SAR值代入其分布函数方程，通过计算机解出分布函数方程的参数值，获得SAR三维热场的实时分布。具体测量过程如下1、制作微波辐射场模拟测量装置见附图说明图1。将厚1.5cm、15×15cm见方、扁的有机玻璃板中心挖空，形成一周边宽1.5cm的框架20，该框架20刚好放入用来装体模的D＝15.1cm、高20cm用作支撑罩的有机玻璃圆柱桶21内，采用有机玻璃是因为此种材料对微波热场无干扰，并且透明，可视性好，在有机玻璃框架20的两个对边对称设置一对直径为1.7mm的导引针通孔22，刚好放入微波引导针，在其右侧离中心5mm两个对边上下各打5个D＜1mm的拉线通孔24，孔间距离5mm，用1号手术缝合线穿过沿框架20的上下拉线通孔24，形成与微波天线平行间隔5mm的5根拉线25；2、用所述微波引导针导引微波天线26置入框架1内，再取出微波导引针；3、在框架20内距离微波天线26的一定位置设置测量热电偶27，所述热电偶27采用美国Ω公司生产的直径为0.003英寸的铁-康铜热电偶丝，将所有热电偶27与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连，由预实验可知，由于热场沿r方向，θ方向呈对称分布，因而可将SAR求解当作二维问题处理，热电偶27按图2进行平面布点，图3是图2各点对应的空间坐标值。并按此布点图分别固定在图1中的拉线25上，每次布16个点，布好点后，连同微波天线26一同放入圆柱桶21内，将已配制好的肝脏微波体模缓慢坯入，静置12-24小时，直至体模温度与室内温度平衡。在此肝脏微波体模采用四川大学江汉保等研制的微波体模配方，该体模的复介电系数在300-2500MHz范围，与实际人体肝脏组织的误差≤5％。4、测量前检查冷端温度，并通过计算机采集微波作用前测量点的温度，以温度波动5分钟内＜0.01℃作为稳态指标。每个能量作用组(60W300s，50W10min，40W30min)分上述16个点进行16-18次测量，3个能量作用组共进行53次测量，每个位点重复5-9次，最后计算取各点的平均值。能量作用分别给予60W300s(每100s间隔10s)，50W10min，40W30min，作用中数据采集器以每500ms(60W300s)或1s(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波凝固治疗肿瘤热场分布的模拟测量方法，它包括如下步骤：１）、制作微波辐射场模拟测量装置，２）、将微波引导针及微波天线置入模拟测量装置内，并在模拟装置内距离微波天线的一定位置设置测量热电偶，所述热电偶与数据采集器相连，所述数据采集器与计算机相连，３）、在模拟测量装置内坯入组织微波体模，４）、测出不同能量的微波辐射在设置所述热电偶的位置处温度随时间的变化，将数据代入生物传热方程，得到单位体积和单位时间微波辐射能量ＳＡＲ，将ＳＡＲ代入其分布函数方程，通过计算机解此联立方程，即可求得分布函数方程的各项系数，得到微波辐射三维热场的分布函数，从而可以获取指定时间在指定点的温度，所述生物传热方程为： ＳＡＲ＝ρＣｄＴ／ｄｔ－ＫΔＴ＋Ｍ↓［ｂ］Ｃ↓［ｂ］（Ｔ－Ｔ↓［ｂ］）其中ρ为组织密度（ｋｇ／ｍ↑［３］），Ｃ为比热，Ｔ为温度，ｔ为时间，Ｋ为组织的导热系数（Ｗ／ｍ.℃），Ｍ↓［ｂ］、Ｃ↓［ｂ］分别为血液的灌注率（ｋｇ／ｍ↑［３］.Ｓ）和比热（Ｊ／ｋｇ.℃），Ｔ↓［ｂ］为该区域的动脉血温（℃）。 所述微波辐射能量ＳＡＲ分布函数方程： ＳＡＲ＝ρＣｅ↑［－αＺ］［Ｘ↓［０］Υ↓［３］＋Ｘ↓［１］Υ↓［２］＋Ｘ↓［２］Υ＋Ｘ↓［３］］［ｃｏｓ（Ｘ↓［５］θ）＋Ｘ↓［４］］。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董宝玮，梁萍，程志刚，于晓玲，于德江，
申请(专利权)人：广东威尔医学科技股份有限公司，董宝玮，
类型：发明
国别省市：44[中国|广东]