一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法技术

本发明专利技术涉及温度场仿真领域，尤其涉及一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，所述方法包括：根据肝脏影像，建立病人肝脏部位三维模型并划分网格；联合两种生物传热方程确立微波消融三维温度场模型的生物传热方程；根据肝肿瘤在肝脏部位的不同位置确定微波消融三维温度场模型中的边界条件；确定微波消融三维温度场模型中的模型参数；在手术过程中实时生成肿瘤内部温度场的三维仿真。本发明专利技术考虑了肝肿瘤所在肝脏部位的位置，对边界条件精准分析以提高温度仿真的准确性，使得手术进程更安全。使得手术进程更安全。使得手术进程更安全。

【技术实现步骤摘要】
一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法


[0001]本专利技术涉及温度场仿真领域，尤其涉及一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法。

技术介绍

[0002]肝癌微波消融技术是肿瘤微创消融技术的一种，具体治疗方法是在B超或CT引导下将微波天线（微波针）经皮穿刺至肿瘤部位，启动微波治疗仪，利用微波天线对肿瘤进行消融，具有精确定位、原位灭活的特点，使肿瘤内的极性分子如水分子蛋白质分子出现高频反复的转向运动，极性分子间的互相摩擦可使肿瘤内部的温度迅速上升至110℃以上的高温，肿瘤迅速死亡，而肿瘤细胞在60℃时即可瞬间灭活。与传统手术相比，肿瘤微创消融治疗技术（微波、射频等）具有微创、痛苦少、安全性高的特点，手术恢复快，术后第二天即可下床，无手术疤痕。而对于手术无法切除的多个病灶，利用肿瘤微创消融治疗技术可对肿瘤进行逐一灭活，给肿瘤患者带来了希望。
[0003]微波消融术前方案制定涉及消融热剂量(消融功率、消融时间)设定以及消融针穿刺路径规划，有赖于离体消融模型的体积实验数据和临床医生穿刺消融针的经验，缺乏针对不同病人的精准手术方案以及针对穿刺经验较少的临床医生的指导。现有的肝肿瘤微波消融仿真方法多是忽略在体消融时血管以及血流灌注的影响，计算得出的是完全对称的消融热场。
[0004]此外，肝肿瘤所在肝脏部位的位置会影响到三维温度场的模型参数和边界条件，在同样的条件下对于肝肿瘤远离肝脏边缘的情况和肝肿瘤在肝脏边缘的情况，实际温度会与仿真温度有差别，这会导致手术进程中对于温度判断的误差，可能实际温度不够导致肝肿瘤没有消融完全，也可能实际温度过高导致灭活了肝肿瘤边缘周围的正常干组织细胞，给病人造成伤害。在手术过程中，微波消融功率的改变和微波消融针所在位置的改变都会造成温度场数值的改变，所以也更需要一种手术中实时更新三维温度场仿真的方法，提高手术的安全性。
[0005]如申请公开号为CN110263489A的中国专利公开了基于DICOM数据的肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，所述方法包括：基于DICOM数据重建并修复肿瘤和血管模型，将其导入多物理场仿真模块中，选定工作平面画出消融针结构图，构建仿真几何模型；对仿真几何模型中的计算域设定不同材料及参数，其具体材料种类分为：肝脏，肿瘤，PTFE；构建耦合电磁波辐射模型及生物传热模型；根据构建的模型，依据设定的微波频率对仿真几何模型划分网格，设定求解器求解方法；对求解得到的仿真数据进行可视化处理，得到温度场分布数据。此种仿真方法可利用病人术前影像数据，建立三维有限元仿真模型，计算消融热场，指导手术方案的制定。
[0006]如授权公告号为CN107526928B的中国专利公开了一种基于特性参数反馈的微波热消融温度场仿真方法，所述方法包括：在COMSOL软件中设置预设初始条件和边界条件，建立微波热消融温度场仿真模型；基于仿真模型对体模组织特性参数进行敏感性分析；执行
微波热消融实验，利用测温针对消融区的七个点进行实测，获得实测温度；基于参数敏感性分析结果，利用反馈针实测数据获得特性参数的精确表征形式；利用特性参数的精确表征形式进行温度场仿真，并与实测数据进行对比以验证温度场分布模型的精确性。该专利技术的技术方案，可以解决现有技术中因组织特性参数的不确定性而导致无法精确获得温度场分布的问题。
[0007]以上专利均存在本
技术介绍
提出的问题：肝肿瘤所在肝脏部位的位置会影响到实际温度与仿真温度的误差，可能实际温度不够导致肝肿瘤没有消融完全，也可能实际温度过高导致灭活了肝肿瘤边缘周围的正常干组织细胞，给病人造成伤害。而在手术过程中，微波消融功率的改变和微波消融针所在位置的改变都会造成温度场数值的改变。为了解决这些问题，本申请设计了一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011]步骤S1：根据肝脏影像，建立病人肝脏部位三维模型并划分网格；
[0012]步骤S2：联合基于傅里叶传热规律的生物传热方程和基于非傅里叶传热规律的生物传热方程确立微波消融三维温度场模型的生物传热方程；
[0013]步骤S3：根据肝肿瘤在肝脏部位的不同位置确定微波消融三维温度场模型中的边界条件；
[0014]步骤S4：确定微波消融三维温度场模型中的电场模型参数和温度场模型参数；
[0015]步骤S5：在手术过程中实时生成肿瘤内部温度场的三维仿真。
[0016]进一步地，步骤S1具体包括以下步骤：
[0017]步骤S1.1：采集病人肝脏影像数据，建立肝脏部位三维模型；
[0018]步骤S1.2：选择单元类型为六面体单元，对肝脏部位三维模型进行网格单元的划分；
[0019]步骤S1.3：对单元网格形状进行检查并调整。
[0020]进一步地，步骤S1.2具体包括：对消融针尖端位置采用精细的网格进行划分、对肝肿瘤边缘部分和肝肿瘤中心部分采用精细的网格进行划分、对肝肿瘤除中心部分和边缘部分之外的部分采用中等的网格进行划分和对整体肝脏除肝肿瘤之外的部分采用粗糙的网格进行划分。
[0021]进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：
[0022]步骤S2.1：计算基于傅里叶传热规律的生物传热方程得到的温度，计算公式为：
[0023]，
[0024]其中，表示基于傅里叶传热规律的生物传热方程得到的温度，表示生物组织密度，表示生物组织比热容，表生物肝组织导热系数，表示血液密度，表示血液
灌注率，表示血液比热容，表示血液温度，表示消融针施加的电场产生的热量，表示时间，表示梯度算子；
[0025]步骤S2.2：计算基于非傅里叶传热规律的生物传热方程得到的温度，计算公式为：
[0026]，
[0027]其中，表示弛豫时间，即热能量传递到生物组织内的最近单元所需的特征时间；
[0028]步骤S2.3：根据生物传热方程造成的误差，设定基于傅里叶传热规律的生物传热方程的权重为，设定基于非傅里叶传热规律的生物传热方程的权重为；
[0029]步骤S2.4：以肝脏的镰状韧带和冠状韧带交界点为三维温度场模型的坐标原点确立微波消融三维温度场模型的生物传热方程，计算公式为：
[0030]，
[0031]其中，表示消融针发射功率，计算公式为：，其中表示电势，表示生物组织导电系数，表示生物组织长度截面比例关系，表示消融时间，表示三维温度场模型的特定点的温度，表示基于傅里叶传热规律的生物传热方程的三维温度场模型特定点的温度，表示基于非傅里叶传热规律的生物传热方程的三维温度场模型特定点的温度。
[0032]进一步地，步骤S2.1中，消融针施加的电场产生的热量的计算公式为：
[0033]，
[0034]其中，表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：根据肝脏影像，建立病人肝脏部位三维模型并划分网格；步骤S2：联合基于傅里叶传热规律的生物传热方程和基于非傅里叶传热规律的生物传热方程确立微波消融三维温度场模型的生物传热方程；步骤S3：根据肝肿瘤在肝脏部位的不同位置确定微波消融三维温度场模型中的边界条件；步骤S4：确定微波消融三维温度场模型中的电场模型参数和温度场模型参数；步骤S5：在手术过程中实时生成肿瘤内部温度场的三维仿真。2.根据权利要求1所述的一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：步骤S1.1：采集病人肝脏影像数据，建立肝脏部位三维模型；步骤S1.2：选择单元类型为六面体单元，对肝脏部位三维模型进行网格单元的划分；步骤S1.3：对单元网格形状进行检查并调整。3.根据权利要求2所述的一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于，所述步骤S1.2具体包括：对消融针尖端位置采用精细的网格进行划分、对肝肿瘤边缘部分和肝肿瘤中心部分采用精细的网格进行划分、对肝肿瘤除中心部分和边缘部分之外的部分采用中等的网格进行划分和对整体肝脏除肝肿瘤之外的部分采用粗糙的网格进行划分。4.根据权利要求3所述的一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：步骤S2.1：计算基于傅里叶传热规律的生物传热方程得到的温度，计算公式为：，其中，表示基于傅里叶传热规律的生物传热方程得到的温度，表示生物组织密度，表示生物组织比热容，表示生物组织导热系数，表示血液密度，表示血液灌注率，表示血液比热容，表示血液温度，表示消融针施加的电场产生的热量，表示时间，表示梯度算子；步骤S2.2：计算基于非傅里叶传热规律的生物传热方程得到的温度，计算公式为：，其中，表示弛豫时间，即热能量传递到生物组织内的最近单元所需的特征时间；步骤S2.3：根据生物传热方程造成的误差，设定基于傅里叶传热规律的生物传热方程的权重为，设定基于非傅里叶传热规律的生物传热方程的权重为；步骤S2.4：以肝脏的镰状韧带和冠状韧带交界点为三维温度场模型的坐标原点确立微波消融三维温度场模型的生物传热方程，计算公式为：，
其中，表示消融针发射功率，计算公式为：，其中表示生物组织电势，表示生物组织导电系数，表示生物组织长度截面比例关系，表示消融时间，表示三维温度场模型的特定点的温度，表示基于傅里叶传热规律的生物传热方程的三维温度场模型特定点的温度，表示基于非傅里叶传热规律的生物传热方程的三维温度场模型特定点的温度。5.根据权利要求4所述的一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于，所述步骤S2.1中，消融针施加的电场产生的热量的计算公式为：，其中，表示消融针施加的电场产生的热量，表示随温度变化的生物组织导电系数，表示梯度算子。6.根据权利要求5所述的一种肝肿瘤微波消融三维温度场仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中微波消融三维温度场...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡惠明，李长流，
申请(专利权)人：南京诺源医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：