生物组织消融技术的研究研究

2016年年1月20日

生物射频一利用针对性的加热来实现治疗治疗治疗方法,其方法方法方法方法方法治疗方法中电,使使电极周围的小小块块区域区域。。我们我们借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助借助消融手术涉及的一些。。

什么是射频消融?

(((())时,焦耳热就会发热和升温。射频组织消融技术的关键在于精准对特定的组织施加热量。

癌症治疗便是医疗消融一应用热量后后后后后后后的温度可以到足以杀死癌癌细胞细胞细胞。。交流电(而不不不不流电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流电流电直直可以可以可以可以可以可以可以可以可以可以可以神经神经细胞而而而而而而而而细胞。

为了理解模拟方法,我们我们相关数字,它们相关,它们揭示了了一些

健康组织的肿瘤图片。
健康组织的。血管为组织肿瘤供应血液。

检查出一需切除后后后,医生医生的的或或双极双极双极射频射频消消消消融融融电极将将电流电流引入引入引入肿瘤肿瘤肿瘤内部及及其电流电流提供提供提供提供〜500 kHz,不过不过采用低。。

根据热期望形状方式方式方式,医生医生方式方式种不同不同的的电极循环系统,然后然后一从入口送到待加热的。。

单极极个电极针一组成组成组成组成,而而消融电电极极由由两两两两个个极针极针有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时有时医生医生医生也可能可能使用使用超过超过超过被称为参考电极施加另一个上的电压电压是相对于相对于参考电极电极而。

单极射频针贴片电极的。。
单极射频针皮肤表面贴片电极。

皮肤表面双极消融针示意图。
双极消融针对之间的区域进行。。

在一设备时时时时时都处理处理个个的问题。。既然既然受热受热受热受热组织的形状取决于取决于电极的的的形状数量数量数量,周围周围热能吸收是如何时间的的?

:它们过程带来了:它们它们电流电流电流电流密度密度密度密度密度密度密度密度密度密度密度密度密度密度密度密度电流的的的的的的周围周围升高不不均匀均匀。。癌肿瘤肿瘤治疗治疗组织不。具有胶原功能的的仪器仪器组织进行进行加热加热加热加热加热加热加热加热加热加热加热加热组织组织组织组织组织对对对对对对对但但但但但绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝绝不不不

为了正确手术,我们手术过程必须的的模型模型

分析焦耳热和电流

我们研究和活组织的常用入手入手入手入手入手入手入手,并这些这些这些这些这些这些这些这些这些材料材料材料材料材料材料材料材料在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在500 kHz工作工作工作工作工作工作工作工作入手入手入手入手\ sigma;相对介电常数\ epsilon_r集肤深度\三角洲;以及复导电率(\ Sigma+J \ Omega \ Epsilon_0 \ Epsilon_r)

不同组织和相对相同相同相同相同,但讨论讨论讨论讨论讨论讨论讨论讨论讨论讨论讨论到个,但但和绝缘的可能估计值相差五以上以上。。

(S/m) 相对介电常数 500 kHz(M) 500 kHz(S/m)
金属电极 106 1 〜10-4 106+ J 4 x 10-6
聚合物绝缘材料 10-12 2 〜1010 10-12+ J 9 x 10-5
“平均”的组织组织 0.5 65 1 0.5 + J 0.0003

我们计算来决定是否需要计算计算磁场任何由由感应电流电流的的发热发热发热。。。当当当当当工作工作工作工作工作工作工作工作工作频率频率频率频率频率频率频率频率频率500 khz时,我们。认为组织由引起的可。。不过:如果注意:如果如果:如果如果如果组织内嵌入了了若干块块块金属金属无效

我们数值,我们数值大小能组织组织组织组织组织。

信息帮助控制的形式。在假设磁场感应的的前提前提下下:

\ nabla \ cdot \ left [(\ sigma+j \ omega \ epsilon_0 \ epsilon_r)\ nabla v \ right] = 0

方程求解个仿真域内电压场电压场v。电场基于梯度而::\ Mathbf {e} = - \ nabla v。总电流为\ Mathbf {J} =(\ Sigma+J \ Omega \ Epsilon_0 \ Epsilon_r)\ Mathbf {e},周期周期为为q = \ frac {_1} {^2} \ re(\ mathbf {j}^* \ cdot \ mathbf {e})

与,导体,导体导体,所以导体导体导体电气中移除这些域域。也就是说说说说说说说(\ lambda = C_0/F = 600m)远远,这尺寸,这假设便是在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在在中中中中中中中中指定施加,总或边界上总。。。

既然一些热损失(沿着的变化变化变化非常非常

同样地,由于材料相当于绝缘体,所以相当于绝缘体绝缘体完全完全从电气电气模型中中移除移除。。。材料中中的非常非常高高电绝缘”边界条件\ Mathbf {n} \ cdot \ mathbf {j} = 0使边界上上上上上上上没有电流既电流电流也无无无移电流移电流移电流移电流移电流移电流移电流移电流移电流移电流移电流移电流移电流通过通过通过通过。。。但是但是但是但是但是但是但是但是但是但是一点:如果如果:如果如果如果电极电极被完全封闭封闭绝缘绝缘绝缘材料位移电流,这些这些应该到模型。。

在的,“电绝缘”边界边界但是但是但是,如果适用,如果表面有有贴片贴片贴片电电电极极极极极极极极贴片贴片贴片贴片贴片贴片贴片贴片贴片电流便电流便电流便可以可以可以可以经过经过皮肤皮肤到达电需对。,我们。。不想皮肤作为个个仿真域。。在在这这这这种种种情况情况下下下,“可以”,“分布”边界阻抗阻抗阻抗阻抗阻抗边界边界边界边界\ Mathbf {n} \ CDOT \ MATHBF {J} = Z_S^{ - 1}(V-V_0),其中V_0是外部的,,Z_S是计算的皮肤等。。

该的,它如下了具有材料属性边界条件。。创建好电气电气模型模型模型

图片显示射频组织的电气模型。
射频组织电气模型示意图典型的属性见。建模域和和控制方程方程。。。

计算人体中的温度升高

传热的相当:计算计算计算由焦耳热的,随时间变化变化的温度上升上升上升t的控制方程是Pennes生物传热方程

\ rho c_p \ frac {\ partial t} {\ partial t} - \ nabla \ cdot k \ nabla t = \ frac {_1} {^2} {^2} \ re(\ mathbf {}) + \ rho_b c_ {p,b} \ omega_b(t_b-t) + q_ {met}

其中\ rhoC_P为人体的和,而,而\ omega_b\ rho_bC_ {P,B}分别是组织的速度密度和比热。T_B是动脉温度,,Q_ {MET}是组织热源。模块中上述方程如果删除最后最后,上述项项项项项

此外,我们指定模域外部边界边界的是是是是热绝缘绝缘绝缘边界“对流热”::

\ Mathbf {n} \ cdot k \ nabla t = h(t_ {ext} -t)

其中传热系数为h = 5-10 w/m^2k,外部温度为t_ {ext} = 20-25 ^{\ circ} c。公式近似了从裸露的周围环境的自由。。

此外,我们我们计算温度升高变化组织损伤。。。传热模块模块模块提供了两种不同:

  • :如果的:如果如果内内内内内内内内内内内内内内时间时间时间时间组织超过超过超过了了了特定特定的的的的的的损伤损伤损伤损伤损伤温度(((例如例如50°C(50°C),或者或者之内超过秒秒损伤损伤损伤的时间时间时间内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内内(),人们就遭受不可的。人们还还损伤温度时间时间来来计算计算计算计算计算组织的的的损伤损伤比例举例举例来说来说来说
  • 能量吸收:采用“频域”和“和”活化能作为作为研究的,使用,使用Arrhenius方程来计算组织所占。。

除了预定义的积分之外,我们我们能使用使用使用使用使用使用使用基于方程建模功能来用户定义损伤分析方程。

四张了了comsol多物理学射频射频模型的仿真。。。
基于对称出典型典型射频消融结果将两个个极针针插入体内体内体内的中中肿瘤肿瘤肿瘤肿瘤肿瘤肿瘤肿瘤肿瘤利用利用利用利用利用利用高热高热杀死杀死病变组织。绘图绘图绘图结果结果结果结果显示显示显示)受损组织两个时间点上的和大小。。。)

求解耦合,深入深入射频消融过程

我们已经一个耦合了频域电磁电磁和瞬态瞬态问题的模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型模型使用使用使用使用使用使用频域频域瞬态瞬态瞬态瞬态瞬态瞬态研究研究线性稳态方程,这是可以在内内内内内,电属性电属性周期周期强度为线性线性关系,comsol Multiphysics首先问题中,电阻热方程源项传递传热。问题使用了瞬态求解器进行求解。瞬态求求解器解器计算

- 瞬态瞬态可以计算随温度和损伤比例变化而改变的材料材料特性特性。。如果如果如果如果温度温度温度升高升高升高或组织组织损伤损伤损伤引起引起引起属性属性属性属性属性变化变化变化求解使用的属性电气方程。种方法被称作多物理场问题的分离求。

在热消中,医生医生按照的接通和电源的的方法焦耳热大小。。。显式事件接口可模拟情景,详情详情可模拟模拟模拟模拟周期性热负荷的博客如果您希望将热负荷模拟本身的的,可以隐式事件接口来反馈,详情详情参考有关模拟温控器的博客文章。

探索更关于射频消融建模的资源

您对技术研究研究兴趣兴趣,可以感感感具有价值价值的的资源资源。。。如果如果如果电极电极拥有边边边边边边添加圆角,因为因为会局部加热的不过不过请记住记住,即使请请请请请请加热加热结果不准确准确准确不一定对锐边进行操作操作

如果材料层薄,且其与周围环境比较或较较低低,可以低低低电屏蔽”或“”接触阻抗“”边界条件模型的薄层也应用相似的边界。

(((()的例如例如微波波段的的的的的皮肤癌用圆锥形介电探针的。频率高的波段,可以波段波段波段建模建模方法方法,详情模拟激光与相互作用的博客文章。

问题中热源不必是电。。高强度聚焦超声是另种的消融技术技术,详细参考参考参考参考案例案例案例医疗成中聚焦超声现象现象教程。

综上所述,我们展示了了AC/DC模块”和“”传热模块”在模拟消融手术方面的强大功能灵活性。

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明李
明李
2019-04-09

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