激光诱导间质热疗中温度场的模拟与实验监测

发布时间：2020-06-05 08:01

【摘要】：肝脏肿瘤作为目前全球高发病率和死亡率的重大疾病之一,一直以来都是国内外学者们关注、研究的重点。激光诱导间质热疗作为一种微创的手术方法,因其费用低、疗效好、恢复快等特点,使得该方法在临床中被广泛使用。其原理是组织通过吸收激光的能量后产生的热效应,使得组织细胞凝固坏死。但是值得注意的是肿瘤区域的热量会以热传导的形式传导到肿瘤周边的正常组织,因此激光治疗的剂量若过大,不仅对肿瘤区域产生消融,同时也会对正常组织造成损伤。为了避免这一结果的产生,就需要对激光诱导间质热疗过程中组织的实时温度监测。本文通过有限元仿真模拟跟离体实验的对比,为临床上进行个体化的最佳治疗剂量制定,提供理论依据。本文的主要工作:1)基于光在组织中的传输理论、热传输理论和热损伤理论,对激光在组织中的作用进行有限元仿真模拟。通过采用两种不同的热传输理论,即经典Pennes传热方程和双曲线Hyperbolic传热方程,分别模拟得到两组组织温度场分布,进而比对分析发现基于Hyperbolic方法得到的结果与Pennes得到的结果对比是温度升高幅度先小后大,中间出现交叉点,两者的最大损伤面积差异可以达到13.1%。2)通过在模拟组织损伤过程中引入组织动态光热参数,证明了参数随组织温度的变化会对结果产生影响。3)通过在模拟组织损伤过程中加入大血管,证明了在大血管附近组织温度明显低于没有血管的组织温度,且灌注率的大小也会对结果产生影响。4)通过离体猪肝实验,发现Hyperbolic方法求解的精确度优于Pennes方法,验证了非傅立叶双曲线传热方程在激光诱导间质热疗中的可行性。文中主要创新点:1)在LITT仿真模拟中引入非傅立叶双曲线传热方程(Hyperbolic)并通过量化计算验证其方程的有效性,为今后利用Hyperbolic方程求解更加复杂的组织温度场提高理论基础。2)仿真模拟考虑光热参数随温度的动态变化,进一步提高仿真的准确性。3)仿真中考虑大血管肿瘤对光热治疗的影响,发现不同血管大小及其血液流速会对组织温度场产生重要影响,为在体实验提供理论基础。
【图文】：

几何模型

际医对光诱导间质热疗的剂量提供参考。逡逑第一节Ｃｏｍｓｏｌ邋Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃ模拟仿真中的一般步骚逡逑本文选择的是ＣＯＭＳＯＬ软件中的５．２ａ版本。文章中选用三个物理场，分别是逡逑Ｐｅｎｎｅｓ生物传热物理场、Ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ生物传热物理场。首先是选择空间维度逡逑应用模式，确定求解域的大小和形状，求解域几何模型可选长方体、圆柱、逡逑、球体、线、点等不同形状的组合。第二步设置几何空间各个区域物理参数，逡逑模拟的需要，设置组织的光学参数和热物参数。第三步设置边界条件。第四步逡逑格，根据模拟需求不同的位置可以不同精细的网格。第五步设置求解参数，逡逑算时间、时间步长等。第六步进行求解，并对求解后的结果进行处理。逡逑何模型的选择逡逑ＣＯＭＳＯＬ软件中可以设置二维或者三维的几何体，本文采用二维轴对称模型。逡逑组织简化为半无限大的圆柱模型，设半径为１５＿、高度为４０＿。光纤加热逡逑于几何模型中ＡＷ为（０，０）处。设置四个温度探针点，分别为距离光纤中心２＿、逡逑８ｍｍ、１１ｍｍ的位置。如图３所示：逡逑Ｏ逡逑

网格划分,模拟仿真,光场,热方程

第二节模拟仿真结果逡逑应用ＣＯＭＳＯＬ软件在同一光场传输下分别基于Ｐｅｎｎｅｓ与Ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ两种不同逡逑传热方程进行温度场模拟计算，模拟仿真对比的前提是保持几何结构、光场物理场、逡逑物理参数、边界条件一致，所以我们可以认为，，仿真模拟结果的差异则是由生物传逡逑热方程的不同而引起的。逡逑
【学位授予单位】：福建师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R730.5;TN249

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