肿瘤热消融治疗手术规划系统及关键技术研究

发布时间：2017-09-26 04:25

  本文关键词：肿瘤热消融治疗手术规划系统及关键技术研究

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【摘要】：肝肿瘤作为全球发病率和致死率较高的恶性肿瘤,一直是医学领域的研究热点。近年来肝肿瘤热消融治疗作为一种微创治疗方法,以其费用低、疗效好等特点被广泛应用于临床。但如何根据个性化的肝肿瘤病灶特征制定最佳治疗方案,是目前临床急需解决的关键问题。本课题研究肿瘤热消融治疗手术规划系统及关键技术。根据实验数据求解SAR分布,提出微波消融(MWA)中提高SAR求解精度的三个条件。在温控射频热疗(RFA)温度场仿真中,通过实验数据的计算提出一种新的电压设置方法。在长时间大功率射频消融温度场仿真中,应用Hyperbolic方程求解温度分布。研制肝肿瘤热消融手术规划系统。具体研究内容如下:1.微波消融三维SAR分布的计算。共进行75组水冷式微波热疗实验,提取实验中22个测温点的温升速率,计算求解三维SAR分布。首先,在实验数据中添加方差不等的零均值高斯噪音,研究实验中误差对仿真结果的影响;其次,根据对不同实验数据的选取,确定SAR拟合中的最佳时间段;最后,改进拟合方法,用加权最小二乘法实现SAR分布的拟合。经实验数据与仿真结果对比发现,当实验中的温度误差控制在3.5℃以内,且选取0-60s、0-70s、…、0-110s时间段的实验数据进行拟合,可以得到准确的三维SAR分布。对于SAR求解,所提出的加权最小二乘拟合法更加稳定有效。2.温控射频热疗温度场仿真关键技术的研究。共进行40组温控射频热疗实验,根据实验数据得到随温度变化的电压函数。在COMSOL中构建4个有限元仿真模型,分别应用不同生物传热方程Pennes(Pennes Bioheat Equation,PBE)和Hyperbolic(Hyperbolic Bioheat Equation,HBE);采用不同的电压设置方法,即固定电压和随温度变化的电压函数。根据实验和仿真对比验证不同生物传热方程和不同电压设置方法在温度场仿真中的有效性。仿真与实验结果的对比表明:应用随温度变化的电压函数可以提高温控射频热疗温度场仿真的精度。在应用随温度变化电压函数的仿真模型中,对比两种不同生物传热方程在求解中的区别,结果表明HBE比PBE的求解精度提高0.55℃。3.设计肝肿瘤热消融手术规划系统。基于Microsoft Visual C++实现肝肿瘤的三维可视化,通过温度场仿真,输出最佳治疗方案。本文完成了水冷式微波热疗和温控射频热疗中温度场仿真及手术规划系统的设计,结果满足临床肿瘤热疗对温度场模拟精度和速度的要求,可辅助医生进行手术方案的制定。
【关键词】：肝肿瘤 射频消融 微波消融 温度场仿真 手术规划
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R735.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究背景与意义10-13
• 1.1.1 肝肿瘤的危害及其治疗方法10
• 1.1.2 肝肿瘤热消融治疗原理10-11
• 1.1.3 热消融温度场计算机模拟11-12
• 1.1.4 热消融手术规划系统12-13
• 1.2 本课题国内外研究现状13-16
• 1.2.1 微波消融温度场仿真13
• 1.2.2 射频消融温度场仿真13-14
• 1.2.3 热消融手术规划系统14-15
• 1.2.4 本文结构15-16
• 第2章 热消融温度场模拟16-22
• 2.1 生物传热基本原理及计算方法16-18
• 2.1.1 Pennes生物传热方程16
• 2.1.2 Hyperbolic生物传热方程16-17
• 2.1.3 模型求解方法17-18
• 2.2 COMSOL Multiphysics仿真软件18-21
• 2.2.1 COMSOL Multiphysics软件介绍18
• 2.2.2 肝肿瘤射频消融多物理场耦合原理18-19
• 2.2.3 热消融温度场仿真流程19-21
• 2.3 本章小结21-22
• 第3章 微波消融温度场模拟中SAR分布的拟合22-38
• 3.1 微波消融比吸收率SAR的实验检测22-27
• 3.1.1 SAR检测实验平台22-24
• 3.1.2 实验原理24-26
• 3.1.3 实验方法及步骤26
• 3.1.4 实验结果及分析26-27
• 3.2 微波热疗SAR分布的影响因素27-34
• 3.2.1 SAR的计算方法28
• 3.2.2 微波热疗实验测量误差的定量计算28-31
• 3.2.3 SAR拟合的最佳时间31-33
• 3.2.4 SAR分布的优化拟合33-34
• 3.3 SAR拟合的实验验证34-37
• 3.3.1 最佳SAR拟合结果34-36
• 3.3.2 对比验证温度场仿真精度36-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第4章 射频消融温度场模拟研究38-56
• 4.1 射频消融温度场模拟38-42
• 4.1.1 基于Pennes生物传热方程的温度场仿真38-40
• 4.1.2 基于Hyperbolic方程的温度场仿真40-41
• 4.1.3 温度场模拟结果对比分析41-42
• 4.2 随温度变化的电压拟合曲线及应用研究42-44
• 4.2.1 温控射频消融及其电压设定42-43
• 4.2.2 随温度变化的电压拟合曲线43-44
• 4.2.3 应用不同电压设置方法的温度场模拟结果对比44
• 4.3 射频消融温度场模拟精度的实验检测44-54
• 4.3.1 实验平台44-46
• 4.3.2 实验方法及步骤46-47
• 4.3.3 实验结果47-48
• 4.3.4 基于不同生物传热方程的温度场仿真精度对比48-51
• 4.3.5 基于不同电压设置方法的温度场仿真精度对比51-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第5章 肝肿瘤热消融手术规划原型系统的设计56-68
• 5.1 概述56-62
• 5.1.1 系统设计环境56
• 5.1.2 系统结构56-57
• 5.1.3 系统工作流程57-62
• 5.2 肝肿瘤热消融手术规划系统实现62-66
• 5.2.1 基于Amira的肝肿瘤三维重建62-64
• 5.2.2 模型匹配算法介绍64-65
• 5.2.3 系统验证65-66
• 5.3 本章小结66-68
• 结论与展望68-70
• 参考文献70-76
• 攻读硕士期间发表的学术论文76-78
• 致谢78-79

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本文编号：921487