高频纳秒脉冲串作用下生物组织热效应的仿真及实验研究

发布时间：2017-09-20 21:05

  本文关键词：高频纳秒脉冲串作用下生物组织热效应的仿真及实验研究

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【摘要】：为了综合传统微秒脉冲电场(μs PEF)和纳秒脉冲电场(ns PEF)治疗肿瘤的优缺点,我们提出一种高频纳秒脉冲串的脉冲形式来治疗肿瘤,该形式的脉冲旨在通过μs PEF和ns PEF的协同作用,同时发挥μs PEF的直接快速杀伤作用和ns PEF的间接缓慢调控作用,有望获得更佳的肿瘤治疗效果。但是,高场强的脉冲电场会产生更多的焦耳热,热效应在脉冲电场治疗应用也应当避免。因此本文对高频纳秒脉冲串作用下生物组织的热效应进行了研究,利用多参数的分析方法来研究热效应与脉冲参数之间的关系,从而预测温升以及热损伤。本文对离体猪肝以及猪耳皮肤组织在不同脉冲参数下的电导率进行实测,分析脉冲参数对组织电导率的影响;建立肝脏以及肝肿瘤组织、皮肤以及黑色素肿瘤组织的有限元模型,仿真分析不同脉冲参数下正常组织以及肿瘤的温度以及热损伤;分析不同脉冲参数下热效应与脉冲参数的关系,得出使组织不发生热损伤的脉冲参数的范围;对离体猪肝、猪耳皮肤组织以及裸鼠在体黑色素肿瘤组织进行温度测量,与仿真的结果进行比较,验证仿真结果。本文取得的主要成果有:(1)通过施加不同的电压、脉宽和重复频率的高频纳秒脉冲串,对离体猪肝以及猪耳皮肤组织的电导率变化进行实测,结果表明肝脏组织在3k V/cm场强下,电导率无明显变化,而在5k V/cm的场强作用下,电导率有一些增长,而在10k V/cm的场强下,电导率有明显的增加。皮肤电导率由于阻抗太大,脉冲作用后无变化。(2)通过COMSOL软件建立肝脏以及肝肿瘤组织以及皮肤和黑色素肿瘤组织的有限元模型,仿真分析不同脉冲参数下温度和热损伤在时间和空间上的分布。在本文作用的脉冲范围内,一串脉冲引起的肝肿瘤的最高温度为49.26℃,1s后肿瘤的最高温度仅为40.4℃,最高热损伤程度仅为0.0016。对于皮肤黑色素肿瘤,脉冲参数为场强5k V/cm,脉宽500ns,重复频率1MHz时,角质层最高温度达到了70℃。1s后肿瘤的最高温度仅为37.4℃。(3)通过MATLAB对大量仿真结果进行处理,分析了温度以及热损伤与脉冲参数的关系,得出使组织温度不大于某一阈值或者不发生热损伤的参数上限。(4)对离体猪肝、猪耳皮肤组织以及裸鼠在体黑色素肿瘤组织的温度进行实测,离体猪肝的实验结果表明,温度随着注入能量的增加趋于饱和,猪耳皮肤组织无温升变化。裸鼠的温升结果与仿真进行比较,与仿真中肿瘤的平均温度变化较为一致。本文基于有限元仿真得出使组织不发生热损伤的参数范围,为后续高频纳秒脉冲串用于肿瘤治疗的实验研究中的参数选择提供理论指导。
【关键词】：高频纳秒脉冲串 肿瘤 有限元 热效应 温度测量
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R73-36
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 研究目的及意义8
• 1.2 脉冲电场治疗肿瘤技术的研究现状8-10
• 1.2.1 微秒脉冲电场可逆电穿孔疗法9
• 1.2.2 微秒脉冲电场不可逆电穿孔疗法9
• 1.2.3 纳秒脉冲电场疗法9-10
• 1.3 脉冲电场作用下生物组织温度以及热损伤研究现状10-14
• 1.4 本文的主要研究内容14-15
• 1.5 本章小结15-16
• 2 高频纳秒脉冲串作用下生物组织电导率变化的研究16-30
• 2.1 引言16
• 2.2 理论分析16-19
• 2.3 实验平台19-22
• 2.3.1 实验装置19-21
• 2.3.2 实验方法21-22
• 2.4 实验结果22-28
• 2.4.1 离体肝脏组织电导率22-27
• 2.4.2 离体皮肤组织电导率27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 3 高频纳秒脉冲串作用下生物组织的温度以及热损伤有限元仿真30-54
• 3.1 引言30
• 3.2 有限元法的理论基础30-31
• 3.3 电场作用下生物组织产热及传导机理31-33
• 3.3.1 电场作用下生物组织产热机理31
• 3.3.2 生物组织传热理论31-33
• 3.4 有限元模型建立33-35
• 3.4.1 COMSOL Multiphysics软件简介33
• 3.4.2 仿真模型的设置33-35
• 3.5 高频纳秒脉冲串作用下肝脏及肿瘤组织的热效应仿真35-44
• 3.5.1 仿真模型的建立35-38
• 3.5.2 温度及热损伤的在时间上的分布38-41
• 3.5.3 温度及热损伤的在空间上的分布41-42
• 3.5.4 仿真模型的修正42-44
• 3.6 高频纳秒脉冲串作用下皮肤及肿瘤组织的热效应仿真44-51
• 3.6.1 仿真模型的建立44-46
• 3.6.2 温度及热损伤的在时间上的分布46-49
• 3.6.3 温度及热损伤的在空间上的分布49-51
• 3.7 本章小结51-54
• 4 生物组织不发生热损伤的高频纳秒脉冲串的参数上限确定54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 温度及热损伤与脉冲参数的关系54-59
• 4.2.1 肝脏肿瘤模型54-56
• 4.2.2 皮肤肿瘤模型56-59
• 4.3 肝脏肿瘤组织不发生热损伤的参数上限确定59-61
• 4.4 皮肤肿瘤组织不发生热损伤的参数上限确定61-64
• 4.5 本章小结64-66
• 5 高频纳秒脉冲串作用下生物组织温度测量66-74
• 5.1 引言66
• 5.2 实验平台66
• 5.3 离体组织温度测量实验66-69
• 5.4 在体皮肤肿瘤组织的温度测量实验69-71
• 5.5 讨论71-73
• 5.6 本章小结73-74
• 6 结论与展望74-76
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-84
• 附录84-85
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录84
• B. 作者在攻读硕士学位期间获得的科技成果84-85
• C. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目85

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本文编号：890372