生物组织的传热与分析分析

生物组织的传热与分析分析

2019年11月21日

肿瘤是热来癌症的种方法方法,通过方法方法方法方法天线或射频射频探头探头探头等等设备设备设备,穿过设备等射频射频射频射频射频射频射频射频射频射频射频

数值模拟电磁引起生物组织热损热损有助于优化设置。本篇本篇博文博文博文博文博文博文博文博文博文博文博文博文博文。设置设置设置设置设置设置设置设置设置设置设置设置设置

癌症热疗法

在中,应根据和坏死的血液,,电特性来来调节调节电磁电磁热源热源的位置位置位置位置位置位置位置位置位置以以在不损坏周围周围周围组织的情况情况完全完全的现象,才才临床方案设置。。

,我们,我们加热消融肝为例,说明例例例。首先首先首先首先电场接着,组织加热产生热源。是绝缘的,因此绝缘绝缘的的绝缘的绝缘绝缘绝缘绝缘电极臂电极臂电极臂附近附近最后最后最后最后最后(〜50°C),破坏破坏。。

下图了解圆柱体状肝脏中分布分布分布分布分布分布分布分布分布分布分布分布温度温度温度温度体积体积体积体积)进行进行体积体积体积((((((((((进行进行进行进行进行进行进行进行进行数值预测预测。在在在圆柱体圆柱体圆柱体圆柱体的的的外外边界的边界条件

comsol多物理学中中中的肝组织。。。
通过数值肝脏组织:电位电位的值线图,温度分布的的切面图切面图切面图切面图以及以及分钟分钟分钟分数分数分数。分数分数伤

瞬态分析使用了生物传热接口,,电流接口和电磁热多耦合节患者特定的中中中,肿瘤结构结构结构结构结构动脉动脉动脉围绕围绕围绕,尽管,尽管尽管围绕,尽管这对围绕围绕动脉和和和结构中中中中中中中中的位置和输入。

之前的博客中,我们介绍组织消融研究理念理念,尤其是理念理念理念建模的。。

,,,我们再个凝固疗法的例子。凝固疗法一一种种通过通过将将将2.45ghz的频率频率频率的的的的的天线插入中中进行进行,在,在导体一环形槽,使个个个个。。天线缠缠绕一塑料导管。。下图显示了利用模型模型的的对称性称性组织组织组织(域左侧)。

该图不同结果进行组织损伤数值。。。
(10分钟热源左左左左),(温度(中心中心中心)(10分钟()(()和损伤损伤损伤分数)的

首先,使用电磁波频域接口求解。,通过,通过电磁热多物理场将加热项转化瞬态热。,利用,利用生物传热接口研究随时间变化以及此产生的。。

上述两模拟均为组织中的传热计算和伤分析示例。。接下来接下来接下来,让接下来接下来接下来接下来分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析分析

生物组织中传热分析

pennes近似近似生物热方程用描述生物组织中的:

\ rho c_p \ frac {dt} {dt} - \ nabla \ cdot \ left(k \ nabla t \ right)= \ rho_ \ rho_ \ textrm {b} c_ {p,\ textrm {b}}(t_ \ textrm {b} -t) + q_ \ textrm {e} + q_ \ textrm {met}


该程式了组织中的热量热量,并存储存储存储为为为\ rho,热容量为C_P以及导热系数为k的固体模拟生物使用使用使用生物传热透明接口中的生物组织透明功能预定义,并并组织的作为输入。。

传递项q_ \ textrm {perf} = \ rho_ \ textrm {b}
c_ {p,\ textrm {b}} \ omega_ \ textrm {b}(t_ \ textrm {b} -t)
代表血液的,其中,其中,\ rho_ \ textrm {b}是血液,,c_ {p,\ textrm {b}}是血液容量,,t_ \ textrm {b}是血液。冷却量由灌注速率灌注速率w_ \ textrm {b}确定,可能可能,,温度或健康有关。

血液的和流量特性在在生物组织功能中的生物热子功能作为输入,如如所。。。

用于模拟生物组织中传热的生物热特征的设置窗口的屏幕截图。
生物热的设置窗口。

对于表示具有向同性小小血管,将将小小模拟模拟模拟为非定非定向向散热散热散热散热。。来自较大大大血管血管的的的冷却冷却冷却冷却冷却

通过电磁热多物理场节点添加电磁热源问_
{e}
,并考虑表面损耗,其其加热的。。。q_ {e}的特定表达式具体的物理场接口,包括,包括焦耳热激光加热感应加热微波加热预定义物理接口。

最后,新新的热量作为作为q_ \ textrm {met}项。组织对医学建模时时,该该时通常比比电磁热源热源热源

计算生物组织热损伤

特定,活体下下可能会会永久受损在博客博客文章中中

在热疗中,当超过高温为为时时)或或或吸收了过多多

相应,在,在生物组织功能下的热损伤子功能两个::温度阈值阿累尼乌斯动力学

温度阈值模型

温度阈值模型是高于某温度的时间。用户定义参数包括包括包括包括损坏温度“,”损伤时间”和“”坏死温度”。

comsol多物理学中中伤设置的。。。
当转变选择“温度”,热损时,热损伤功能设置窗口

在这下下,假定组织坏死机制有

  1. 当组织温度损伤温度t_ \ textrm {d,h},大于时间t_ \ textrm {d,h}
  2. 组织温度刚坏死温度t_ \ textrm {n,h}

组织损伤的程度表示::

\ alpha(t)= \ alpha_0+\ frac {1} {t_ \ textrm {d,h}}} \ int_0^t(t> t> t> t_ \ textrm {d,h})dt

式,,\ alpha_0为初始损伤。

阿累尼乌斯动力学模型

阿累尼乌斯动力学Arrhenius方程方程方程估计吸收能量。用户定义的参数包括包括积分积分积分的的的的频率因子活化能

Arrhenius动力动力动力学时时,“热损伤”功能的设置
Arrhenius动力动力动力学时时,“热损伤”功能的设置

这些参数组织的,可可传热中中中生物热材料库中的通用生物((脂肪,肝前列腺皮肤)。

(((((())材料材料材料窗口
(((((())材料材料材料的窗口

组织损伤的程度表示::

\ alpha(t)= \ alpha_0+\ int_0^t(1- \ alpha)^nae^{\ frac { - \ delta e} {rt}} dt

预测组织的程度

在上述个中,损坏损坏比例比例比例\ theta_ \ textrm {d}是由组织的程度推导的对于阈值模型,\ theta_ \ textrm {d}1之间之间小;或者当超过或已超过坏死温度t_ \ textrm {n,h}时,设置设置为1。

下图显示本开头所射频示例中中,三个不同组织组织位置处损伤:

不同探头位置温度分布图
10分钟时,用用损坏程度探头的温度。。。

绘制不同位置的损坏图形图形
探头位置处组织损坏程度。

请,我们,我们可以在热损伤功能的界面运行用户定义的损伤。。

指定受损的属性,处理处理热源热源热源

通过改变材料属性,并并一个潜热热源热源

通过“”热损伤”功能为损伤组织不同的属性,可以计算中组织对有效容量和导热系数影响。此时此时此时,热导率热导率此时:

k = \ theta_ \ textrm {d} k_ \ textrm {损坏}+(1- \ theta_ \ textrm {d})k_ \ textrm {healthy}

最后,可以可以损伤相关焓变在在热损伤”功能,将,”焓变”输入一,可以可以由引起的。。

结语

comsol comsol软件软件传热传热模块模块热损分析分析组织组织的的传热传热进行进行进行模拟模拟模拟。。。。。在在计算计算癌症癌症热热热时时时时多物理场功能。简要概括了物理之间之间的耦合。

用于建模的不同多耦合图耦合图
电磁,热损分析的,用耦合,用热。。。

我们还其他,例如例如电对温度损坏的的依赖依赖

下一步

Comsol®软件软件进行热的信息信息信息,请的信息信息信息

动手尝试

点击下,查看此文章中的案例模型


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