專利名稱：腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波輻射熱場(chǎng)邊界顯示方法，特別是一種多根微波治療針介入治療腫瘤的三維熱場(chǎng)邊界顯示方法。
背景技術(shù)：
腫瘤微波介入治療是將微波天線(治療針)經(jīng)皮刺入人體病灶區(qū)，利用微波天線組織中產(chǎn)生微波，在受微波輻射的局部形成一定形態(tài)的熱凝固區(qū)，利用高溫將腫瘤熱壞死。熱凝固區(qū)正好完全將腫瘤覆蓋是最理想的治療方案，若熱凝固區(qū)邊界線超出腫瘤輪廓，超出部分的人體正常組織細(xì)胞將會(huì)被損壞，若熱凝固區(qū)沒有完全覆蓋腫瘤，就不能把腫瘤細(xì)胞完全滅活，所以熱凝固區(qū)邊界的確定至關(guān)重要，特別是多根微波天線作用下的輻射熱場(chǎng)，因其復(fù)雜難以確定，給臨床上的應(yīng)用帶來很多困難。
CN1453052A發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法，該方法在自制的微波輻射場(chǎng)模擬測(cè)量裝置上進(jìn)行模擬測(cè)量，測(cè)出不同能量的微波輻射在微波體模上一定預(yù)定點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化，將數(shù)據(jù)代入生物傳熱方程，得到在單位時(shí)間內(nèi)單位體積體模組織吸收的微波輻射能量SAR(SpecificAbsorption Rate)，將SAR代入其分布函數(shù)方程，通過計(jì)算機(jī)解聯(lián)立方程，求出方程的各項(xiàng)系數(shù)，即得到了單根治療針微波輻射三維熱場(chǎng)分布。在此基礎(chǔ)上，將微波天線類型、數(shù)量及位置，功率和組織血流灌注率這六種情況進(jìn)行排列組合，建立計(jì)算機(jī)模型，利用有限元軟件求出不同組合條件下的微波熱凝固熱場(chǎng)。最后在上述熱場(chǎng)中加入治療所需的邊界條件進(jìn)行三維重建，得到不同組合條件下的微波熱凝固熱場(chǎng)分布數(shù)據(jù)庫。治療前根據(jù)腫瘤的具體情況在上述數(shù)據(jù)庫中選擇熱場(chǎng)曲線與腫瘤形狀最為相近的治療方案。
該方法提供了一種計(jì)算多根微波天線下的微波熱場(chǎng)三維分布的方法，但是該方法所建立的數(shù)據(jù)庫基于六種情況的排列組合，且每種情況僅限于有限的幾個(gè)取值，所能計(jì)算出的熱場(chǎng)分布為治療參數(shù)非連續(xù)變化的多種情況，非常有限，而腫瘤的情況千變?nèi)f化，所以該方法只能提供受到多種條件限制的相對(duì)較優(yōu)的治療方案。
另外，該方法分別對(duì)六種情況的多個(gè)取值的排列組合分別建立數(shù)學(xué)模型，再利用有限元軟件求出熱場(chǎng)分布，過程復(fù)雜，計(jì)算量大，通常需要十幾分鐘至半個(gè)小時(shí)，不能滿足實(shí)時(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種多種治療參數(shù)連續(xù)可調(diào)的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法，為腫瘤微波介入治療提供相對(duì)最優(yōu)的治療方案。
本發(fā)明的另一目的是提供一種過程簡(jiǎn)單、計(jì)算量小的可實(shí)時(shí)顯示腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界的方法。
本發(fā)明通過以下三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)1、在自制的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行模擬測(cè)量，通過組合方程式計(jì)算出單根微波天線在不同輻射功率作用下單位時(shí)間內(nèi)單位體積體模組織吸收的微波輻射能量SAR(Specific Absorption Rate)分布函數(shù)；2、以單根微波天線的實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)的SAR分布函數(shù)為基礎(chǔ)，建立一根以上微波天線共同作用下的熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型；3、將熱凝固區(qū)邊界溫度、治療時(shí)間、腫瘤灌注系數(shù)代入上述熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型，求出滿足所述熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型的坐標(biāo)點(diǎn)，通過軟件處理，將求出的坐標(biāo)點(diǎn)集在計(jì)算機(jī)上三維顯示，改變輻射功率，連續(xù)改變熱凝固區(qū)邊界溫度、治療時(shí)間、腫瘤灌注系數(shù)、微波天線數(shù)量及位置，找出相對(duì)最優(yōu)的治療方案。
本發(fā)明能將一定功率條件下的兩根或多根微波天線的熱場(chǎng)邊界直接在計(jì)算機(jī)上建模并直觀顯示，改變治療參數(shù)即可得到相應(yīng)的三維熱場(chǎng)邊界顯示，過程簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，滿足實(shí)時(shí)性。且多個(gè)治療參數(shù)連續(xù)可調(diào)，避免了將治療參數(shù)排列組合，建立數(shù)據(jù)庫并利用有限元軟件計(jì)算所帶來的麻煩和龐大的計(jì)算量。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例模擬測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量布點(diǎn)示意圖；圖4是圖3各點(diǎn)的坐標(biāo)值；圖5是本發(fā)明實(shí)施例步驟一SAR/ρC分布函數(shù)列表；圖6是本發(fā)明實(shí)施例兩根微波天線布置示意圖。
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式
以多根微波天線作用下的肝癌微波介入治療的三維熱場(chǎng)邊界顯示為例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
步驟一在圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行模擬測(cè)量，通過組合方程式計(jì)算出單根輻射天線在40W、50W和60W的典型輻射功率下單位時(shí)間內(nèi)單位體積體模組織吸收的微波輻射能量SAR(SpecificAbsorption Rate)分布函數(shù)。
生物熱方程
ρC∂T∂t=K▿2T+WbCb(Ta-T)+Qm+Qr---(1),]]>其中，ρ、 C和T分別表示受熱組織的密度(kg·m-3)、比熱(J·kg-1·℃-1)和溫度(℃)，t為時(shí)間(s)，K表示組織的導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·℃-1)，Wb、Cb分別表示血液的灌注率(kg·m-3·s-1)和比熱(J·kg·℃-1)。Ta表示動(dòng)脈血溫度(℃)，Qm表示組織的代謝產(chǎn)熱，Qr表示單位組織吸收微波的輻射熱，Qr是一個(gè)空間分布函數(shù)，通常記為SAR。
在體模中，Wb＝0，Qm＝0，傳導(dǎo)熱擴(kuò)散的熱量忽略不計(jì)，即(1)式中k2T＝0，(1)式簡(jiǎn)化為SAR=Qr=ρC∂T∂t---(2).]]>根據(jù)微波能量的分布規(guī)律，考慮到微波體模材料的電特性和熱物特性是均勻且各向同性，可將SAR的分布函數(shù)設(shè)為SAR(r，θ，z)＝ρCe-ar[X0z3+X1z2+X2z+X3] (3)，方程采用柱坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為熱場(chǎng)中心，z軸為微波天線軸線，如圖2所示，只要確定系數(shù)X0、X1、X2和X3即可得出SAR的分布函數(shù)。
通過預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微波熱場(chǎng)在r方向和θ方向?qū)ΨQ，而發(fā)現(xiàn)在z方向以離微波天線尖端15mm的o點(diǎn)為分界點(diǎn)，向上溫升較快，向下溫升較慢，o點(diǎn)即為熱場(chǎng)中心，過o點(diǎn)垂直微波天線軸的平面為熱場(chǎng)中心面。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例模擬測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。定位支架2為周邊寬度和厚度相等的方形框架，一對(duì)導(dǎo)引針孔21分別在定位支架2的上、下對(duì)邊中心處，導(dǎo)引針孔21用于放置微波天線3，五對(duì)拉線通孔22從導(dǎo)引針孔21右側(cè)離中心5cm處等距排開，用一號(hào)手術(shù)縫合線穿過上下拉線通孔22形成五根拉線4，在拉線4上按圖3所示的位置布置熱電偶5，圖4是熱電偶5各點(diǎn)的坐標(biāo)值，熱電偶5通過數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連。布置好微波天線3和熱電偶5后，將定位支架2放入圓柱形容器1中，然后將配置好的體模緩緩裝入容器。定位支架2和圓柱形容器1均采用透明、抗微波熱場(chǎng)干擾的有機(jī)玻璃。
實(shí)驗(yàn)在體模溫度達(dá)到穩(wěn)定后開始，每個(gè)能量作用組(60W300s，50W10min，40W30min)分別對(duì)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。只需測(cè)出五個(gè)點(diǎn)處溫度的變化率，代入(3)式，解這五個(gè)方程組成的聯(lián)立方程組，便可求得(3)式中的各項(xiàng)系數(shù)。得到微波輻射功率分別為40W、50W和60W時(shí)的SAR/ρC的分布函數(shù)如圖5所示。
步驟二以單根微波天線的實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)為基礎(chǔ)，分別求出不同數(shù)量微波天線作用下的SAR分布函數(shù)，建立一根以上微波天線共同作用下的熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型。
單根微波天線SAR＝ρCe-ar[X0z3+X1z2+X2z+X3] (4)。
兩根微波天線兩根微波天線共同作用產(chǎn)生熱場(chǎng)時(shí)，假設(shè)兩根微波天線平行插入，且各自的熱場(chǎng)中心面共面，如圖6所示，兩根微波天線作用時(shí)間相同。
在同一坐標(biāo)系xyz(xoy平面與天線熱場(chǎng)中心平面共面，z軸與微波天線平行)中，O(0，0，0)為坐標(biāo)原點(diǎn)，O1(x1，y1，0)、O2(x2，y2，0)分別為微波天線A、B產(chǎn)生的熱場(chǎng)中心，對(duì)于兩跟微波天線共同作用產(chǎn)生的熱場(chǎng)中的任一點(diǎn)D(x，y，z)的SAR為兩根微波天線分別在D點(diǎn)產(chǎn)生的SAR的疊加，即
SAR=SAR1+SAR2=ρ·C·(e-ar1+e-ar2)·[X0z3+X1z2+X2z+X3]---(5),]]>而r1=(x-x1)2+(y-y1)2r2=(x-x2)2+(y-y2)2---(6).]]>多根微波天線三根或三根以上微波天線共同作用的情況和上述兩根微波天線的情況類似，就是三根或三根以上微波天線作用下的SAR疊加，在此不再詳述。
在熱凝固治療中，組織的代謝產(chǎn)熱Qm相對(duì)輻射熱Qr很小，一般忽略不計(jì)，組織導(dǎo)熱率K因組織不同而異，同一組織也會(huì)因血流灌注率Wb和溫度T變化而變化，在臨床應(yīng)用中難以測(cè)量，故在實(shí)際治療中(1)式中的K2T項(xiàng)與實(shí)驗(yàn)中的差別忽略不計(jì)，Ta-T＝-ΔT，WbCb為與血流灌注率有關(guān)的血流灌注系數(shù)，在臨床應(yīng)用中可測(cè)得。故(1)式可寫為ρC∂T∂t=SAR-WbCbΔT---(7).]]>將實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)量得到的SAR/ρC代入(7)式即得到微波輻射功率分別為40W、50W和60W的熱場(chǎng)分布函數(shù)一根微波天線ρCΔTΔt=SAR-WbCbΔT=ρCe-ar[X0z3+X1z2+X2z+X3]-WbCbΔT---(8).]]>兩根微波天線ρCΔTΔt=ρ·C·(e-ar1+e-ar2)·(X0z3+X1z2+X2z+X3)-WbCbΔTr1=(x-x1)2+(y-y1)2r2=(x-x2)2+(y-y2)2---(9).]]>
步驟三將熱凝固區(qū)邊界溫度、治療時(shí)間、腫瘤灌注系數(shù)代入選定微波天線數(shù)量及輻射功率的熱場(chǎng)分布函數(shù)，求出滿足熱場(chǎng)分布函數(shù)的坐標(biāo)點(diǎn)，通過軟件處理，將求出的坐標(biāo)點(diǎn)集在計(jì)算機(jī)上以曲面形式三維顯示。所述曲面即為所要顯示的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界。改變輻射功率，連續(xù)改變熱凝固區(qū)邊界溫度、治療時(shí)間、腫瘤灌注系數(shù)、微波天線數(shù)量及位置，即可得到相應(yīng)治療參數(shù)條件下的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界，將得到的熱場(chǎng)邊界與在計(jì)算機(jī)上顯示的腫瘤塊三維特征比較。熱場(chǎng)邊界最好地將腫瘤塊三維特征適形覆蓋的治療參數(shù)條件，即為相對(duì)最優(yōu)的治療方案。
在方程(8)和方程組(9)中，ΔT＝T-Ta，Δt表示治療時(shí)間，T為治療時(shí)凝固邊界預(yù)定要達(dá)到的溫度，研究表明，在54-60℃范圍內(nèi)能將癌細(xì)胞殺死，T可在此范圍內(nèi)取值。只需確定T、Δt和測(cè)出血流灌注系數(shù)的取值，代入方程(8)或方程組(9)就可得到滿足條件的坐標(biāo)點(diǎn)，這些點(diǎn)的集合即為腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界。
更進(jìn)一步地，在求出上述腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界上的點(diǎn)時(shí)，先設(shè)定z＝0，求出腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界曲面上的點(diǎn)(x，y，0)，即確定了所述熱場(chǎng)邊界曲面上的點(diǎn)的x、y的取值范圍，在該取值范圍內(nèi)任取x、y值，代入方程組求出對(duì)應(yīng)的z值，即可得到所述熱場(chǎng)邊界曲面上的點(diǎn)坐標(biāo)。該處理可大大縮小計(jì)算機(jī)在求滿足方程組的點(diǎn)時(shí)的計(jì)算搜索范圍，從而減少了計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，使計(jì)算速度加快。
參數(shù)T、Δt和血流灌注系數(shù)WbCb可任意取值，即對(duì)腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界曲面連續(xù)可調(diào)。
兩根微波天線共同作用時(shí)，改變微波天線的插入位置，即改變了方程組(9)中的x1、y1和x2、y2值，腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界曲面隨之改變，即微波天線位置也是連續(xù)可調(diào)，同樣，多于兩根微波天線的熱場(chǎng)邊界隨著微波天線位置的改變而改變。
治療前，應(yīng)用三維超聲成像技術(shù)將腫瘤塊的三維特征在計(jì)算機(jī)上顯示。輸入測(cè)量得到的血流灌注系數(shù)，選用一定功率(本實(shí)施例為40W、50W或60W)、一定微波天線數(shù)量，不斷改變兩根或多根天線的相互位置，將計(jì)算機(jī)上顯示的對(duì)應(yīng)治療參數(shù)條件下的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界與計(jì)算機(jī)上顯示的腫瘤塊三維特征比較，找出相對(duì)較優(yōu)的治療方案。然后改變功率或(和)微波天線數(shù)量，重復(fù)上述步驟。最后在上述所有的方案中，找出熱場(chǎng)邊界最好地將腫瘤塊三維特征適形覆蓋的治療參數(shù)條件，即可得到治療方案。治療時(shí)，只需按上述預(yù)先確定的治療方案進(jìn)行治療即可。
由于SAR的分布函數(shù)中的系數(shù)的確定建立在模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，即本發(fā)明實(shí)施例最后顯示的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界的功率條件依賴于實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)量，故只要在步驟一中改變功率條件，可得到其他功率情況下的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界。
本實(shí)施例為肝癌微波介入式治療的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法，本發(fā)明同樣適用于其他類型的腫瘤，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。
權(quán)利要求
1.一種腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)測(cè)量并通過組合方程式計(jì)算出單根微波天線在不同輻射功率作用下單位時(shí)間內(nèi)單位體積體模組織吸收的微波輻射能量SAR(Specific Absorption Rate)分布函數(shù)；(2)以上述的單根微波天線的SAR分布函數(shù)為基礎(chǔ)，建立一根以上微波天線作用下的熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型；(3)將熱凝固區(qū)邊界溫度、治療時(shí)間、腫瘤灌注系數(shù)代入上述熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型，求出滿足所述熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型的坐標(biāo)點(diǎn)，通過軟件處理，將求出的坐標(biāo)點(diǎn)集在計(jì)算機(jī)上三維顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法，其特征在于所述的一根微波天線熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型為ρCΔTΔt=ρCe-αr[X0z3+X1z2+X2z+X3]-WbCbΔT,]]>其中ρ為組織密度(kg·m-3)，C為比熱(J·kg-1·℃-1)，T為溫度(℃)，t為時(shí)間(s)，Wb、Cb分別為血液的灌注率(kg·m-3·s-1)和比熱(J·kg·℃-1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法，其特征在于兩根以上微波天線共同作用下的熱場(chǎng)中的任一點(diǎn)的SAR為每根微波天線分別在該點(diǎn)產(chǎn)生的SAR的疊加。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法，其特征在于所述的兩根微波天線熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型為ρCΔTΔt=ρ·C·(e-αr1+e-αr2)·(X0z3+X1z2+X2z+X3)-WbCbΔTr1=(x-x1)2+(y-y1)2r2=(x-x2)2+(y-y2)2]]>其中ρ為組織密度(kg·m-3)，C為比熱(J·kg-1·℃-1)，T為溫度(℃)，t為時(shí)間(s)，Wb、Cb分別為血液的灌注率(kg·m-3·s-1)和比熱(J·kg·℃-1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法，其特征在于求所述步驟三熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型的坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，先求出在所述熱場(chǎng)中心面上的點(diǎn)，確定x、y的取值范圍，再在此范圍內(nèi)求出所述熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型的坐標(biāo)點(diǎn)。
全文摘要
一種腫瘤微波介入治療熱場(chǎng)邊界顯示方法，包括以下步驟1.測(cè)量并通過組合方程式計(jì)算出單根微波天線在不同輻射功率作用下的實(shí)時(shí)三維凝固熱場(chǎng)的SAR分布函數(shù)；2.以單根微波天線的實(shí)時(shí)三維熱場(chǎng)的SAR分布函數(shù)為基礎(chǔ)，建立一根以上微波天線作用下的熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型；3.將熱凝固區(qū)邊界溫度、治療時(shí)間、腫瘤灌注系數(shù)代入熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型，求出滿足熱場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型的坐標(biāo)點(diǎn)，通過軟件處理，將求出的坐標(biāo)點(diǎn)集在計(jì)算機(jī)三維顯示，本發(fā)明多個(gè)治療參數(shù)連續(xù)可調(diào)，過程簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，滿足實(shí)時(shí)性。
文檔編號(hào)G06F17/00GK101088474SQ20061003599
公開日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月14日
發(fā)明者祝文春 申請(qǐng)人:廣東威爾醫(yī)學(xué)科技股份有限公司