專利名稱：腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多天線微波輻射熱場(chǎng)的組合方法，特別是多天線微波介入治療腫瘤的凝固熱場(chǎng)的組合方法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的1、模擬測(cè)量并通過(guò)組合方程式計(jì)算出單根輻射天線在不同輻射功率作用下的實(shí)時(shí)三維凝固熱場(chǎng)分布；2、以單根天線的實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)分布為基礎(chǔ)，對(duì)兩根以上天線按下述六種條件進(jìn)行排列組合，建立計(jì)算機(jī)模型，利用有限元分析軟件求出微波不同條件下的三維凝固熱場(chǎng)分布數(shù)據(jù)庫(kù)，六種條件是A)、天線類型條件B)天線數(shù)量條件C)天線空間位置條件D)功率條件.E)、不同功率作用的時(shí)間條件F)、癌變組織的血流灌注率條件；3、將治療所需的溫度邊界條件進(jìn)行三維重建后加入所述不同條件下的三維凝固熱場(chǎng)分布熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)形成六種條件下滿足上述溫度邊界條件的有效微波熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包括凝固熱場(chǎng)的實(shí)時(shí)分布數(shù)據(jù)和各數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的凝固熱場(chǎng)三維圖譜。
上述測(cè)量可以是模擬測(cè)量，即建立對(duì)應(yīng)組織體模的微波輻射實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)出微波場(chǎng)下不同功率、時(shí)間和位置的溫度變化，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入組合方程式；所述組合方程式是指生物傳熱方程與微波輻射能量SAR的分布函數(shù)方程。所述生物傳熱方程為ρcdT/dt＝Qr+KΔT-MbCb(T-Tb)＝SAR+KΔT-MbCb(T-Tb)其中ρ為組織密度(kg/m3)，c為比熱，T為溫度，t為時(shí)間，K為組織的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·℃)，Mb、Cb分別為血液的灌注率(kg/m3·s)和比熱(J/kg·℃)，Tb為該區(qū)域的動(dòng)脈血溫(℃)。
所述微波輻射能量SAR的分布函數(shù)方程為SAR＝ρce-az[x0r3+x1r2+x2r+x3][cos(x5θ)+x4]經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)得知SAR分布函數(shù)為平面分布函數(shù)SAR＝ρCe-αz[X0r3+X1r2+X2r+X3]上述實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)分布對(duì)于功率為60W微波輻射的凝固熱場(chǎng)輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點(diǎn)距天線尖端15mm的前向部分分布為2.2667×2.9e-0.3164r(-0.0002z3+0.0042z2-0.0344z+0.4864)微波天線中心點(diǎn)距另一端12mm的后向部分分布為20.2667×2.9e-0.3164(-0.00003z3+0.0013z2-0.0306z+0.4864)上述實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)分布對(duì)于功率為50W微波輻射的凝固熱場(chǎng)輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點(diǎn)距天線尖端15mm的前向部分分布為1.4903×3.02e-0.3002r(8E-5z3-0.003z2+0.0091z+0.4152)微波天線中心點(diǎn)距另一端12mm的后向部分分布為1.4903×2.98e-0.3002r(4E-5z3-0.0012z2-0.0066z+0.4168)上述實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)分布對(duì)于功率為40W微波輻射的凝固熱場(chǎng)輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點(diǎn)距天線尖端15mm的前向部分分布為1.1264×5.3e-0.2829r(0.0003z3-0.0016z2+0.0042z+0.3651)微波天線中心點(diǎn)距另一端12mm的后向部分分布為1.1264×5.2e-0.2829r(0.00003z3-0.0009z2-0.0117z+0.3692)上述溫度邊界條件的溫度范圍為54-60℃。
本發(fā)明的積極效果本發(fā)明的熱場(chǎng)組合方法在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立了以所述六種條件即A)、天線類型條件B)天線數(shù)量條件C)天線空間位置條件D)功率條件.E)、不同功率作用的時(shí)間條件F)、癌變組織的血流灌注率條件為參數(shù)，且滿足溫度邊界條件的有效微波熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包括微波凝固熱場(chǎng)的實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)及各相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的凝固熱場(chǎng)三維圖譜，這種組合熱場(chǎng)的三維實(shí)時(shí)分布的有效微波熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)為臨床微波治療腫瘤提供了多種可供選擇的治療方案，并可在臨床治療中根據(jù)患者的不同情況選擇最佳治療方案，使產(chǎn)生腫瘤的正常組織損傷小而治療效果好。
本發(fā)明的方法適用于各種腫瘤微波導(dǎo)入治療的熱場(chǎng)組合，不同腫瘤只需依據(jù)其體模進(jìn)行模擬測(cè)量，得出單根天線的熱場(chǎng)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行各種條件的組合，求出組合后的實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)分布。
首先測(cè)量并通過(guò)組合方程式計(jì)算出單根輻射電極在不同輻射功率作用下的實(shí)時(shí)三維凝固熱場(chǎng)分布；由對(duì)離體豬肝進(jìn)行單極微波輻射預(yù)實(shí)驗(yàn)得知單極植入式微波天線在r方向，θ方向呈對(duì)稱分布，因而可將SAR求解當(dāng)作二維問(wèn)題處理。據(jù)此設(shè)計(jì)

圖1的模擬測(cè)量裝置，將厚1.5cm、15×15cm見(jiàn)方、扁的有機(jī)玻璃板中心挖空，形成一周邊寬1.5cm的框架20，該框架20剛好放入用來(lái)裝體模的D＝15.1cm、高20cm用作支撐罩的有機(jī)玻璃圓柱桶21內(nèi)，采用有機(jī)玻璃是因?yàn)榇朔N材料對(duì)微波熱場(chǎng)無(wú)干擾，且透明，可視性好，在有機(jī)玻璃框架20的兩個(gè)對(duì)邊對(duì)稱設(shè)置一對(duì)直徑為1.7mm的導(dǎo)引針通孔22，剛好放入微波引導(dǎo)針，在其右側(cè)離中心5mm兩個(gè)對(duì)邊上下各打5個(gè)D＜1mm的拉線通孔24，孔間距離5mm，用1號(hào)手術(shù)縫合線穿過(guò)沿框架20的上下拉線通孔24，形成與微波天線平行間隔5mm的5根拉線25；將所述微波引導(dǎo)針引導(dǎo)微波天線26從導(dǎo)引針通孔22置入框架1內(nèi)；在框架20內(nèi)距離微波天線26的一定位置設(shè)置測(cè)量熱電偶27，熱電偶27采用美國(guó)Ω公司生產(chǎn)的直徑為0.003英寸的鐵-康銅熱電偶絲，將所有熱電偶27與所述數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連，由預(yù)實(shí)驗(yàn)可知，由于熱場(chǎng)沿r方向，θ方向呈對(duì)稱分布，因而可將SAR求解當(dāng)作二維問(wèn)題處理，熱電偶27按圖2進(jìn)行平面布點(diǎn)，圖3是圖2各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)值。并按此布點(diǎn)圖分別固定在圖1中的拉線25上，每次布16個(gè)點(diǎn)，布好點(diǎn)后，連同微波天線26一同放入圓柱桶21內(nèi)，將已配制好的肝臟微波體模緩慢坯入，靜置12-24小時(shí)，直至體模溫度與室內(nèi)溫度平衡。在此肝臟微波體模采用四川大學(xué)江漢保等研制的微波體模配方，該體模的復(fù)介電系數(shù)在300-2500MHz范圍，與實(shí)際人體肝臟組織的誤差≤5％。測(cè)量前檢查冷端溫度，并通過(guò)計(jì)算機(jī)采集微波作用前測(cè)量點(diǎn)的溫度，以溫度波動(dòng)5分鐘內(nèi)＜0.01℃作為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。每個(gè)能量作用組(60W300s，50W10min，40W30min)分上述16個(gè)點(diǎn)進(jìn)行16-18次測(cè)量，3個(gè)能量作用組共進(jìn)行53次測(cè)量，每個(gè)位點(diǎn)重復(fù)5-9次，最后計(jì)算取各點(diǎn)的平均值。能量作用分別給予60W300s(每100s間隔10s)，50W10min，40W30min，作用中所述數(shù)據(jù)采集器以每500ms(60W300s)或1s(40W3min，50W10min)速度連續(xù)掃查16個(gè)通道，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄，停機(jī)后連續(xù)觀察，以溫度下降至43℃以下(起始溫度21-24℃)且1分鐘內(nèi)溫度變化＜1℃為停機(jī)的指標(biāo)，60W作用組一般15-20分鐘達(dá)到穩(wěn)定，50W10分鐘一般30-35分鐘達(dá)到穩(wěn)態(tài)，40W30min組一般35-45分鐘達(dá)到相對(duì)穩(wěn)態(tài)，將所得到數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，以做分析用。
由預(yù)實(shí)驗(yàn)知單極植入式微波天線在r方向，θ方向呈對(duì)稱分布，而Z方向?yàn)橐晕⒉ㄌ炀€中心點(diǎn)即距天線尖端15mm處為中心非對(duì)稱分布。SAR的分布函數(shù)方程簡(jiǎn)化為SAR＝ρCe-az[X0r3+X1r2+X2r+X3]，故只需測(cè)出7個(gè)點(diǎn)處溫度的變化，解由7個(gè)方程組成的聯(lián)立方程組，便可得到分布函數(shù)的各項(xiàng)系數(shù)。得到SAR/ρc的分布函數(shù)，見(jiàn)下表。 在已知密度和比熱時(shí)就可以得到整個(gè)微波熱場(chǎng)SAR的分布函數(shù)。
利用美國(guó)ANSYS(V5.5版)有限元分析軟件完成整個(gè)基于有限元法的計(jì)算過(guò)程(包括前處理—空間離散，有限元方程的推導(dǎo)和后處理—進(jìn)一步參數(shù)計(jì)算，數(shù)據(jù)輸出，表格及曲線圖的繪制等)，計(jì)算出單導(dǎo)植入式微波凝固治療肝腫瘤的動(dòng)態(tài)三維熱場(chǎng)。
其次，在求得單導(dǎo)的輻射熱場(chǎng)后，即可按下述六個(gè)條件及其取值進(jìn)行組合，求得組合熱場(chǎng)的分布數(shù)據(jù)庫(kù)。
(1)功率條件采用40W、50W、60W三種微波功率。
(2)用于肝癌凝固治療的天線數(shù)量條件根據(jù)不同腫瘤的大小，可應(yīng)用的電極數(shù)量為1、2、3、4根，分別為單導(dǎo)、雙導(dǎo)、三導(dǎo)、四導(dǎo)。
(3)將肝癌局部組織血流灌注率(Mb)條件分為10級(jí)Mb分別為1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0(單位kg/m3·s)。
(4)所用時(shí)間條件對(duì)應(yīng)于不同功率，采用不同的時(shí)間。
40W——600、900、1200、1800s50W——300、400、500、600、700、800、900s60W——300、400、500、600s(5)天線空間位置條件單導(dǎo)情況略。
雙導(dǎo)(分時(shí)雙導(dǎo)和同時(shí)雙導(dǎo))情況下，兩天線間距采用1.0cm、1.2cm、1.5cm、1.6cm、2.0cm。(注分時(shí)雙導(dǎo)均采用20s∶20s的分時(shí)比，即一根天線作用20s，另一根天線再作用20s)。圖4顯示了兩根天線31和32平行排布作用在腫瘤33上的示意圖。
三導(dǎo)情況下，可分兩種情況，即其中兩電極為分時(shí)雙導(dǎo)電極或三個(gè)電極同時(shí)作用。當(dāng)其中兩電極為同一微波源的雙導(dǎo)分時(shí)電極，即兩電極可以分別作用不同時(shí)間，為增加熱凝固效率，另一單電極采用連續(xù)作用。為得到較好的治療效果，采用較大凝固范圍的分類雙導(dǎo)分時(shí)電極用間距1.5cm、2.0cm，令另一單電極位于以上兩電極連線之中垂線上，間距1.5cm或2.0cm。
四導(dǎo)情況下，可分三種情況，即其中只有兩電極為分時(shí)雙導(dǎo)電極或四個(gè)電極分別為兩個(gè)分時(shí)雙導(dǎo)電極或四個(gè)電極均為同時(shí)作用。當(dāng)凝固方式為兩兩雙導(dǎo)分時(shí)電極作用形成時(shí)，可將四電極按方形排列，相鄰電極間距為1.0cm、1.2cm、1.5cm、1.6cm、2.0cm。并采用相鄰電極同時(shí)作用的方式。
(6)天線類型條件指天線產(chǎn)生不同形狀凝固熱場(chǎng)對(duì)應(yīng)的不同類型天線，比如產(chǎn)生紡錘型凝固熱場(chǎng)的天線或球形凝固熱場(chǎng)天線。
將以上6種情況進(jìn)行排列組合，建立計(jì)算機(jī)模型，并利用有限元分析軟件求出不同條件下的微波凝固熱場(chǎng)。
最后將治療所需的邊界條件進(jìn)行三維重建后加入所述不同條件下的三維凝固熱場(chǎng)分布的熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知治療肝癌的較佳溫度邊界條件為54℃和/或60℃，溫度邊界條件確定后就可在計(jì)算機(jī)內(nèi)形成六種條件下分別滿足上述溫度邊界條件的有效微波熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包括凝固熱場(chǎng)的實(shí)時(shí)分布數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的凝固熱場(chǎng)三維圖譜，該熱場(chǎng)的實(shí)時(shí)分布數(shù)據(jù)即為空間每個(gè)點(diǎn)在不同的時(shí)間點(diǎn)上的溫度分布數(shù)據(jù)，在同一時(shí)間點(diǎn)上就組成許多54和60度兩個(gè)溫度點(diǎn)的等溫曲面。這樣，只需在手術(shù)前測(cè)量好腫瘤的大小，得到腫瘤邊沿的空間坐標(biāo)和形態(tài)三維圖譜，再測(cè)得其血流灌注率，與上述凝固熱場(chǎng)的實(shí)時(shí)分布數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的已知等溫曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，就得到幾個(gè)與其邊沿的空間坐標(biāo)相近的熱場(chǎng)，并將腫瘤的形態(tài)三維圖譜和幾個(gè)近似熱場(chǎng)的三維圖譜進(jìn)行覆蓋對(duì)比，最后確定優(yōu)選的熱場(chǎng)，該熱場(chǎng)的其他條件如功率條件、天線的數(shù)量條件和類型及空間位置條件就直接可知。
更進(jìn)一步，上述組合求得的有效微波熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)可以劃分為如下若干數(shù)據(jù)庫(kù)1)熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)不同參數(shù)條件下54攝氏度和60攝氏度等溫面的三維分布數(shù)據(jù)，包括對(duì)應(yīng)熱場(chǎng)號(hào)、x，y，z坐標(biāo)、溫度、腫瘤血流灌注率、對(duì)應(yīng)方案號(hào)。該熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)包含有對(duì)應(yīng)的所述凝固熱場(chǎng)三維圖譜2)治療方案數(shù)據(jù)庫(kù)熱場(chǎng)三維分布數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的治療方案庫(kù)，包括方案號(hào)、功率、時(shí)間、天線數(shù)、天線的空間位置。3)特征數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)以往的病例統(tǒng)計(jì)將腫瘤按一定的分類方法做形態(tài)分類，大小分級(jí)，血流分級(jí)，便于歸類比較對(duì)比，包括腫瘤形態(tài)類別、大小級(jí)別和血流灌注率級(jí)別。
對(duì)于其他類型的腫瘤，只需在模擬測(cè)量時(shí)選用對(duì)應(yīng)組織的體模進(jìn)行模擬測(cè)量，建立有效微波熱場(chǎng)的其他程序和步驟與肝癌相同。
權(quán)利要求
1.一種腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)、測(cè)量并通過(guò)組合方程式計(jì)算出單根輻射天線在不同輻射功率作用下的實(shí)時(shí)三維凝固熱場(chǎng)分布；2)、以單根天線的實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)分布為基礎(chǔ)，對(duì)兩根以上天線按下述條件進(jìn)行排列組合，建立計(jì)算機(jī)模型，利用有限元分析軟件求出微波不同條件下的三維凝固熱場(chǎng)分布數(shù)據(jù)庫(kù)，所述條件是A)、天線條件B)功率條件C)、不同功率作用的時(shí)間條件D)、癌變組織的血流灌注率條件；3)、將治療所需的溫度邊界條件進(jìn)行三維重建后加入所述不同條件下的三維凝固熱場(chǎng)分布的原始熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)形成所述條件下滿足上述邊界條件的有效微波熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，即不同條件參數(shù)下的凝固熱場(chǎng)的實(shí)時(shí)分布數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的凝固熱場(chǎng)三維圖譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于所述天線條件包括天線類型條件、天線數(shù)量條件、天線空間位置條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于上述測(cè)量可以是模擬測(cè)量，即建立對(duì)應(yīng)組織體模的微波輻射實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)出微波場(chǎng)下不同功率、時(shí)間和位置的溫度變化，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入組合方程式；所述組合方程式是指生物傳熱方程與微波輻射能量SAR的分布函數(shù)方程；所述生物傳熱方程為ρcdT/dt＝Qr+KΔT-MbCb(T-Tb)＝SAR+KΔT-MbCb(T-Tb)所述微波輻射能量SAR的分布函數(shù)方程為SAR＝ρce-az[x0r3+x1r2+x2r+x3][cos(x5θ)+x4]
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于所述微波輻射能量SAR的分布函數(shù)方程經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)得知為如下的平面分布函數(shù)SAR＝ρCe-az[X0r3+X1r2+X2r+X3]
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于所述實(shí)時(shí)三維凝固熱場(chǎng)分布對(duì)于功率為60W微波輻射的凝固熱場(chǎng)輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點(diǎn)距天線尖端15mm的前向部分分布為2.2667×2.9e-0.3164r(-0.0002z3+0.0042z2-0.0344z+0.4864)微波天線中心點(diǎn)距另一端12mm的后向部分分布為2.2667×2.9e-0.3164r(-0.00003z3+0.0013z2-0.0306z+0.4864)
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于所述實(shí)時(shí)三維凝固熱場(chǎng)分布對(duì)于功率為50W微波輻射的凝固熱場(chǎng)輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點(diǎn)距天線尖端15mm的前向部分分布為1.4903×3.02e-0.3002r(8E-5z3-0.003z2+0.0091z+0.4152)微波天線中心點(diǎn)距另一端12mm的后向部分分布為1.4903×2.98e-0.3002r(4E-5z3-0.0012z2-0.0066z+0.4168)
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于所述實(shí)時(shí)三維凝固熱場(chǎng)分布對(duì)于功率為40W微波輻射的凝固熱場(chǎng)輻射能量SAR/ρc在微波天線中心點(diǎn)距天線尖端15mm的前向部分分布為1.1264×5.3e-0.2829r(0.00003z3-0.0016z2+0.0042z+0.3651)微波天線中心點(diǎn)距另一端12mm的后向部分分布為1.1264×5.2e-0.2829r(0.00003z3-0.0009z2-0.0117z+0.3692)
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于所述溫度邊界條件的溫度范圍為50-65℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于所述溫度邊界條件的溫度范圍為54-60℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，其特征在于所述溫度邊界條件為54℃或60℃。
全文摘要
本發(fā)明名稱為腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法。本發(fā)明屬于多天線微波凝固輻射熱場(chǎng)的組合方法。該方法包括；1)、測(cè)量并通過(guò)組合方程式計(jì)算出單根輻射天線在不同輻射功率作用下的實(shí)時(shí)三維凝固熱場(chǎng)分布；2)、對(duì)兩根以上天線按下述條件進(jìn)行排列組合，建立計(jì)算機(jī)模型，利用有限元分析軟件求出微波不同條件下的三維凝固熱場(chǎng)分布數(shù)據(jù)庫(kù)，所述條件是A)、天線條件，B)、功率條件，C)、不同功率作用的時(shí)間條件，D)、癌變組織的血流灌注率條件；3)、將治療所需的溫度邊界條進(jìn)行三維重建后加入所述不同條件下的三維凝固熱場(chǎng)分布的熱場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)形成所述不同條件參數(shù)下的凝固熱場(chǎng)的實(shí)時(shí)分布數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的凝固熱場(chǎng)三維圖譜。
文檔編號(hào)A61B18/18GK1453052SQ0211688
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2002年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月24日
發(fā)明者董寶瑋, 梁萍, 程志剛, 陳鋼 申請(qǐng)人:董寶瑋