一种金纳米颗粒介导的肺肿瘤光热治疗的数值模拟方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种金纳米颗粒介导的肺肿瘤光热治疗的数值模拟方法和系统，包括如下步骤：步骤1，基于COMSOL构建二维轴对称模型，设定温度和热损伤值的域点探针；步骤2，对仿真几何模型中的计算域设定不同的材料和参数，材料种类为：肺组织，肺肿瘤组织，参数包括功率密度和不同形状金纳米颗粒的吸收系数和散射系数；步骤3，构建生物传热模型；步骤4，设定边界条件和添加热源项；步骤5，网格划分、设定求解器计算方法及计算时间；步骤6，可视化处理仿真结果，得到温度场的分布和热损伤值的数据。本发明专利技术可得到肿瘤任意位置的温度分布和到达热疗温度的准确时间，并对肿瘤组织和周围健康组织的热损伤值进行定量计算，可为临床治疗提供重要的参考。要的参考。要的参考。

【技术实现步骤摘要】
一种金纳米颗粒介导的肺肿瘤光热治疗的数值模拟方法和系统


[0001]本专利技术属于有限元仿真领域，具体是基于COMSOL的肺肿瘤组织光热治疗的模拟仿真方法和系统。

技术介绍

[0002]现阶段对于肺癌的治疗方法包括化疗、手术、放疗等。然而，这些治疗方法可能会损害健康细胞，损害患者的免疫系统，并引起较严重的副作用。光热疗法作为一种新的肿瘤治疗方法引起了肿瘤学研究界的广泛关注，且目前关于金纳米颗粒介导的肺肿瘤的光热治疗还未实现临床应用。光热治疗是一种微创和温和的局部治疗方法，通过光热剂的介入利用近红外光来杀死癌细胞而不影响肿瘤周围的健康细胞。因金纳米颗粒具有较高的光热转换效率和生物相容性，因此是光热治疗中光热剂的热门选择，本专利技术即采用金纳米颗粒作为光热剂来进行体内肺肿瘤光热治疗模拟。
[0003]肿瘤组织的坏死和凋亡取决于激光的功率密度和照射时所达到的温度。细胞死亡机制也很重要，坏死死亡的细胞可促进继发肿瘤的生长，而凋亡死亡的细胞可引起免疫反应抑制继发肿瘤的生长。因此，光热治疗过程中对于温度的控制十分重要，通过模拟仿真提供一个预治疗的方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金纳米颗粒介导的肺肿瘤光热治疗的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，基于COMSOL构建健康肺组织和肺肿瘤组织的二维轴对称模型，设定温度和热损伤值的域点探针；步骤2，对二维轴对称模型中的计算域设定不同的材料和参数，其具体材料包括：健康肺组织，肺肿瘤组织，不同形状金纳米颗粒；参数包括激光的波长、功率密度、光斑半径和不同形状金纳米颗粒的吸收系数和散射系数；步骤3，构建生物传热模型，设定边界条件和添加热源项；步骤4，根据步骤3构建的生物传热模型，对二维轴对称模型划分网格，设定求解器的求解方法及求解时间。2.根据权利要求1所述一种金纳米颗粒介导的肺肿瘤光热治疗的数值模拟方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：设置健康肺组织为宽度20mm，高度10mm的大矩形，模型的基准位置为(0，0)；设置肺肿瘤组织的宽度为10mm，高度5mm的小矩形，模型的基准位置(0，0)；设置变量函数，将温度范围划定为43
‑
50℃；设置非局部耦合积分函数，对组织区域进行热损伤积分计算。3.根据权利要求1所述一种金纳米颗粒介导的肺肿瘤光热治疗的数值模拟方法，其特征在于：步骤3所述构建生物传热模型具体包括：1)计算激光照射引起的热源项，应用比尔定律：I(z)＝I0exp[
‑
(μa+μs)
·
z]其中I0表示激光的功率密度，μa、μs分别表示复合介质的吸收系数和散射系数，z表示肿瘤深度，I(z)表示外加热源；2)肺组织及肿瘤内的生物传热方程为：式中，左侧第一项为热传导项，第二项为一般的热传导项，右侧第一项为血液灌注项，其中，ρ表示组织密度，C
p
表示生物组织比热容，T表示组织的温度，ω
b
为生物组织的血液灌注率，k表示组织热导率，ρ
b
代表血液密度，C
pb
为血液的比热容，T
b
代表血液温度，Q
met
为组织的代谢产热率，Q
ext
为外部产热率，t为计算时间；3)肺组织及肿瘤组织的热损伤方程：其中，Ea和A分别代表活化能和频率因子，R为气体常数，T是组织的绝对温度，Ω表示热损伤率；肿瘤组织中温度为43
‑
50℃的区域定义为凋亡体积，凋亡比θ
A
定义如下：Apoptosis volume表示肿瘤细胞的凋亡体积，Tumor volume表示肿瘤组织总体积，V(T)表示肿瘤组织的温度；
热危险值定义为：式中，表示组织在每个温度范围内的加权和，V
i
表示健康组织的总体积，ω
j
表示每个温度范围的权重；有效凋亡比率(θ
A,eff
)为：θ
A
表示肿瘤组织细胞凋亡率，θ
H,n
表示健康组织细胞凋亡率。4.根据权利要求1所述一种金纳米颗粒介导的肺肿瘤光热治疗的数值模拟方法，其特征在于：所述设定边界条件和添加热源项包括：初始值设定为308.15K；二维轴对称模型中边2，7设置为对流热通量边，传热系数h设置为5W/(m2·
K)，外部温度设置为293.15K；边5，8设置为恒定温度308.15K；在肿瘤区域添加热源项，Q0＝I(z)。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述一种金纳米颗粒介导的肺肿瘤光热治疗的数值模拟方法，其特征在于：还包...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁帅，刘思彤，周俊鹏，卢洪，戴发诚，张显豪，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：