文摘

这项研究涉及微波消融分析使用一个2.45 GHz four-tine (4 t)天线肝癌症组织。在这项研究中,三维有限元模型被用来检查组织温度分布期间和之后兆瓦消融。进行的一项初步研究首次对特定吸收率沿着4 t天线插入深度和固体内部的温度分布和多孔肝脏模型3 cm-in-diameter肿瘤或5 cm-in-diameter肿瘤。多孔模型初步结果的基础上,进一步研究了不同血流速度的影响(0 - 200 cm / s)与1 cm-in-diameter血管旁边vessel-antenna位置的天线和效果(0,0.8和1.3厘米)以一个恒定的血流速度16.7厘米/秒。温度控制模式下的所有场景模拟(90°C)。研究结果显示,血液流速和船舶位置影响血流增加的消融效果和抑制血管壁传热。最近和最远vessel-antenna位置(0和1.3厘米),大约90.3%和99.55%的癌细胞被根除,除了船附近的地区。此外,总组织热位移是5.9毫米的整体模型的总长度的6.59%。

1。介绍

从理论上讲,微波(MW)消融具有许多优势传统的射频(RF)消融技术。在射频消融(300 kHz-1 MHz),焦耳加热主要是由传导电流,而传导和位移电流导致MW消融组织温度的增加(通常在915 MHz或2.45 GHz) (1]。

传统的射频消融方法被证明是有效的治疗肝癌的直径小于3厘米(2,3),但患有增加组织阻抗和随后组织沸腾和炭化4]。换句话说,活动组织的区域用射频消融治疗仅限于几毫米周围一个活跃的电极(5]。大多数的组织加热因此由于热传导,降低指数离源。射频加热需要一个电传导路径而MW能够传播通过材料较低或零电导(或高阻抗)(6]。

对癌症治疗MW消融,一层薄薄的天线插入肿瘤通过开放手术或腹腔镜检查或经皮存款电磁(EM)字段在癌组织。使用导电感应加热和位移电流影响肿瘤细胞的凝固坏死在温度达到50°C或以上。MW消融区特征(例如,大小和形状)主要是受天线设计(7- - - - - -20.]。通常,一个兆瓦美联储天线同轴电缆,其拓扑结构和饲料结构优化来实现预期的升温模式而窒息的电流流动的外导体的外表面喂养同轴电缆。现有的MW天线单极天线的例子(7- - - - - -11),偶极子或浮动套偶极子天线7- - - - - -9,12,13),窒息或cap-choke天线7,8,12,13),三轴天线(10,16)、金属尖端单极天线(6),打开提示单极天线(11,17),和一个开槽和多槽天线18- - - - - -20.]。这些提到的天线是最适合泪滴形肿瘤。此外,肿瘤血管附近可以开发或囊性肿块,从而阻碍MW字段的传播和热分布。

在[21- - - - - -24),作者记录的优点同时激活多个天线实现大型烧蚀区。multiantenna系统利用率的需要确定最优天线间距实现最大的烧蚀区没有压痕,因为这种缺口的存在表明不完全破坏的靶向肿瘤。为了解决multiantenna缩进的问题,当前的研究从而提出了一种新颖的four-tine (4 t) MW天线,可以提高组织大面积无压痕(图的高温1(一))。在天线设计,内导体的单极天线连接到四个在一个伞状数组进行多次被安排类似于[four-tine射频探测2,25,26]。4 t MW天线放置在一个穿透套管之前引入到癌变肝脏组织。一旦套正确地提出在肿瘤内部,4 t数组可以完全部署如图1(一)- - - - - -1 (b)。

大多数以前的研究兆瓦消融肝癌症肝组织视为一个均匀的固体,也只关注组织内的热传导。人们bioheat方程描述了热传导的组织和血管系统,血液灌注,代谢热代(13- - - - - -19]。

生物组织由三个组件:血管、细胞,间质空间。此外,生物媒体可分为血管区域(血管)和血管外的区域(细胞和间质空间)。因此,肝脏的解剖结构可以更准确地表示为一个blood-saturated多孔组织(27- - - - - -29日),血管区域被认为是一种血液阶段和血管外的地区被视为组织相(固体),如图1 (c)。当生物组织的温度上升时,它的形状变形是由于热应变(30.,31日]。然而,大多数现有的微波消融肝癌症有研究主要集中在电磁波传播和传热,也未能探索机械组织变形的问题。

这项研究调查了特定吸收率(SARs)在肝脏组织使用2.4厘米直径4 t天线(在完全部署)。固体的温度分布和多孔肝组织模型MW消融前后进行比较。此外,血流速度的影响和船位置的温度分布在肝脏组织确定。多孔肝组织模型的总位移MW消融期间及之后也被调查。

2。材料和方法

2.1。仿真模型的数学描述

图2描绘了一个框图的数学分析与本研究相关的成分包含EM、传热、流体、机械变化分析兆瓦消融。每一个分析的描述如下。

EM波传播分析。肝组织中的电磁波传播呈现在一个三维模型,用麦克斯韦方程计算。麦克斯韦方程的一般形式横电磁波(TEM)模式派生假设谐波繁殖和简化演示的电磁场生物介质(32,33]。

流体流动分析。本研究利用不可压缩n - s (n)模型来模拟血管内的层流条件(34]。计算方程的一般形式是有效孔隙的多孔介质内的流动。然而,天山35)研究了在多孔介质传热,提出了一种改进的动量方程如下: 下标””表示血液和适用于不可压缩流体(血)的密度(公斤/米³),平均血流速度(毫米/秒),平均流体(血液)(Pa)的压力,然后呢是血的动态粘度(Pas),血液的动态粘度巴勒斯坦权力机构年代;和分别是渗透率(m²)和孔隙度的多孔肝脏组织。

本研究假设一个简单的稳定流动的不可压缩流体惯性项在(1)是被忽视的。navier - stokes方程从而减少边缘主义者方程给出如下(36]:

传热分析。多孔肝脏内的温度分布是通过求解能量方程获得组织和血液阶段,吸收兆瓦的电力和内部热源(即。,包括代谢热源)。此外,本研究假设组织和血液的温度是相同的(本地热平衡(LTE)) (37]。

根据(38),人们bioheat方程不能占定向血流量对传热的影响。模型的热能通过组织传播和船消融区,本研究利用一个convection-conduction科林格模型和准稳态假设如下: 下标””和“分别表示,“组织和血液阶段。温度(°C);密度(公斤/米³);比热容(J /公斤吗°C);导热系数(W / m°C);是孔隙度的比值血容量总量(27]。的代谢热生成率33 800 W / m³使用(39)和外部热源等于电阻产生的热量EM字段((W /米³))。

结构分析。传热分析为我们提供了温度模拟模型中的每个元素。材料的温度变化会导致材料的总体规模的变化由于热应变(30.,31日]。温度变化可能引起肝组织的尺寸或形状的变化。在这个研究中,假设肝脏组织是均匀和各向同性,和压力由热、弹性,最初的的贡献,

为了简化分析和调查热应变对肝脏组织的影响,这种研究忽视了机械压力。热应变变形和温度之间的线性关系表示为改变 在哪里热膨胀系数(1 /°C)和参考温度(°C)。

让我们考虑一小部分(元素)的总体模型作为一个小而有限的长方体的笛卡尔坐标系和每一方的维度的长方体最初未变形的状态,分别,。由于热应变,长方体是畸形的,与位移组件,用位移矢量的方向,下标””是元素的索引。畸形的长方体仍然是一个长方体的剪切压力假定为零在这角度都保存了下来。不过长方体两边的尺寸变化,分别,,,在那里,,表示相应的位移增量。

每个组件的热应变取决于每个轴的位移。在小位移的假设下,位移矢量可以从热应变计算组件如下(40]: 因此,总位移(TD)的模型

2.2。天线的特性

four-tine数组可以由形状记忆合金(Ni-Ti合金)和锐利的边缘和4 t天线被封装在一个引导套管在插入数据1(一)- - - - - -1 (b))。一旦4 t天线放置在目标位置,我们把4 t天线转发到肝脏,使four-tine数组渗透到组织中。一旦four-tine数组完全部署,指导套筒从肝脏被撤回。

2.3。实验验证设置

为了验证计算结果从这个研究中,我们建立了一个原型4 t天线根据优化的结果,然后测试这个设备在蛋白和猪的肝脏。50 MW消融了与输入功率W 900年代的持续时间。电源输入不断变化保持最高温度为90°C。热电偶的放置0.5厘米的远端天线测量温度和作为反馈控制权力保持最高温度为90°C。测量由插入4 t天线在250厘米³蛋白在10厘米×10厘米新鲜猪的肝脏切除获得当地屠宰场。

原型4 t天线是由相同的维度模型使用Multiflex 141同轴电缆(Micro-Coax Huber + Suhner AG)。射频工业、Herisau、瑞士)。整个外和内导体是由镀银铜线。使用的同轴介质是一种低损耗polytetrafuoroethylene(聚四氟乙烯)。同轴电缆的尺寸表提供了用于构建天线组装1。

2.4。分析假设

本研究探讨这一现象在固体和多孔生物媒体期间和之后兆瓦消融。参照图1 (c),生物多孔介质,进行这项研究是基于以下假设:(我)的外表面多孔肝脏由散射截断边界条件(波可以通过无反射边界)和电磁波的传播局限于肝脏组织。(2)多孔肝组织同质,热各向同性,blood-saturated [41]。(3)多孔肝内相变和能量交换的外表面多孔肝脏发生(42]。(iv)多孔肝脏的疏密度和热性质假定为常数(43]。(v)肝组织内的初始温度被认为是统一的(37°C)。

2.5。比较Non-Blood船固体和多孔模型

在有限元(FE) non-blood船模型的分析,提出4 t天线是位于肝脏的中心。第一次插入肿瘤基地天线设在直到天线提示0.7厘米以上的中心球形肿瘤。图1 (b)说明了有限元分析固体和多孔肝组织模型。圆柱形状的整体有限元模型(= 10厘米直径和长度= 9厘米)与球面肝癌症组织3厘米或直径5厘米。

边界条件和材料属性被分配之前解决热电问题。MW消融,最初的权力被设定为50 W和最高温度监控。在肝肿瘤组织的温度达到90°C,电源输入不断变化保持最高温度为90°C。我们限制了最高温度90°C,以避免情况组织水达到沸点会导致泡沫。相似的温度极限也被用于其他研究[24]。我们选择了温度控制的模式,因为它是更广泛应用于临床实践,以帮助减少catheter-tissue接口的过热和凝固的发病率。

此外,比较了之间的特定吸收率(SARs)之间的固体和多孔模型和温度分布。

2.6。血流速度的影响

在这个研究中,一个极端的例子是模拟1 cm-in-diameter血管是故意放在直接的接触点和肝肿瘤大小是5厘米直径(图3)。之间的血流速度不一0 cm / s和200 cm / s调查血液流动对温度分布的影响和损伤形成期间和之后兆瓦消融。血流速度的变化范围从0厘米/秒,0.1厘米/秒,0.5厘米/秒,1厘米/秒,5厘米/秒,10厘米/秒,15厘米/秒,15.8厘米/秒,16.7厘米/秒,19.4厘米/秒,50厘米/秒,100 cm / s, 200 cm / s。

2.7。血管位置对损伤的影响形成和组织变形

确定血管位置对温度分布的影响,1的距离cm-in-diameter血管从A点(即。,one of the distal ends of the 4T antenna) in the 5 cm-in-diameter hepatic cancer porous model were varied between 0, 0.8, and 1.3 cm, as illustrated in Figure3。3 d有限元分析从而进行下列情形。

案例1。血管是在直接接触(0厘米)与4 t A点和并行天线。

例2。血管是0.8厘米从A点和并行的4 t天线。血管中心位于外缘的肝癌症。

例3。血管是1.3厘米从A点和并行的4 t天线。血管的外壁接触肝癌的外缘。

相似的部分2。4和部分2。5、边界条件和材料特性建立了解决thermal-electric-fluid-structural问题之前,除了假定为常数的血流速度在16.7厘米/秒(44]。比较了关于三个距离之间的温度分布来确定位置的影响血管的病变的形成。

2.8。材料特性

表1和2分别汇总维度和属性的微波天线组件、组织和血管,用于有限元模型(15,20.,25,45- - - - - -48]。所有导体4 t天线被认为是完美的电导体(压电陶瓷)。

2.9。啮合

柯西收敛测试来确定执行适当的网格尺寸的模拟模型和最大温差的门槛被设定为0.1°C (49]。所有的肝组织模型的网格在周围地区四个细天线的远端(0.001厘米)的最小网格大小和粗在位置远离天线(1厘米的最大网格大小)。整个固体和多孔铁圆柱形状的模型(直径10厘米和9厘米长)分别与约420 000个四面体元素。

2.10。软件

由于天线几何复杂,数值模拟是利用执行3 d有限元分析得到温度分布期间和之后兆瓦消融。5.1有限元模型分析了利用COMSOL多重物理量(COMSOL, Inc .,伯灵顿,MA)运行在PC与3.60 GHz Intel®Pentium核心™i7 - 3820 CPU、24 GB的RAM和1 TB的硬盘空间。模拟执行与COMSOL多重物理量包括射频模块、传热(bioheat方程)模块,液流模块和结构力学模块。

3所示。研究成果

在几何模型的建立、铁网、材料特性和边界条件,进行了有限元分析和仿真结果进行了后处理如下。

3.1。4 t天线的属性

我们测量年代₁₁4 t天线的2.0到2.6 GHz的范围在50 MHz一步描述天线的频率响应。我们测试的原型通过测量年代₁₁使用鸟网站分析器模型sa - 6000 EX(鸟电子公司,克利夫兰,哦)。图4说明了模拟年代₁₁振幅4 t天线与实验测量。年代₁₁在2.45 GHz的仿真结果和实验测量−20.21 dB和−19.56 dB,分别。差异年代₁₁与有限元模拟在体外研究是大约3.33%。

3.2。结果在体外实验

数据5(一个)和5 (b)显示消融区在900年代后蛋白(5.6厘米×5.05厘米),在猪的肝脏(4.85厘米×4.15厘米),分别。我们比较的结果在体外多孔组织模型实验和有限元模拟(无血管)3.3。

3.3。比较固体和多孔模型

SAR分布。图6说明了特定吸收率相对于天线插入深度(厘米)的有限元分析固体和多孔肝组织模型,分别。非典在设在在0.125厘米半径是标准化的。SAR的局部峰值曲线发生在固体和多孔模型之间的接口单极天线和四个尖头的远端(即。指出,A, B, C和D),见图1(一)。固体和多孔模型的SAR剖面曲线表现出类似的趋势与稍微不同的振幅。

温度和功率观测。数据7(一)- - - - - -7 (b)分别描述兆瓦功率输出,以及随之而来的最大温度相对于时间的有限元分析固体和多孔肝组织模型。兆瓦功率输出是不同的维护的目标温度°C。最初,组织温度迅速上升到90°C在12和35个年代,分别为固体和多孔模型50 W功率输出,随后调整维护目标温度。的平均功率使用固体和多孔模型15 W和8 W,分别(图7)。

温度分布。温度控制(90°C)有限元分析3 cm-in-diameter和5 cm-in-diameter肝肿瘤在固体和多孔肝组织条件下。数据8(一个)- - - - - -8 (b)分别说明组织破坏的程度与3 cm-in-diameter固体和多孔模型的肝肿瘤。数据8 (c)- - - - - -8 (d)分别演示组织破坏的区段的固体和多孔模型5的cm-in-diameter肝肿瘤。在数据8(一个)- - - - - -8 (d),周围的温度分布是对称的设在。地区最大的温度(“热点区”)周围4 t天线(图8)。所有情况下的损伤形成的oculiform形状。

消融时间完全破坏(100%)的3 cm-in-diameter肝肿瘤(体积= 14.14厘米³)固体和多孔模型,分别,135年代和120年代。在5 cm-in-diameter肝肿瘤的情况下,完全毁灭的消融时间900年代多孔模型,而最大破坏后的实体模型只有93.60%甚至3600年代。此外,4 t天线造成的损害附近的正常肝组织肝肿瘤(数字8 (c)- - - - - -8 (d))。肝脏的正常组织杀伤性卷5 cm-in-diameter肝肿瘤是8.19厘米³和33.56厘米³固体和多孔模型,分别。

的尺寸消融区从有限元模拟多孔模型(6.23厘米×5.28厘米)比那些略大在体外实验但是,否则,表现出相似的特征(oculiform形状)。因此,我们得出这样的结论:铁的分析给我们提供了令人满意的结果在本研究FE模型能够预测4 t天线MW消融凝固区特征。

3.4。血流速度的影响

温度分布。初步MW消融分析确定基线时间完全破坏5厘米多孔模型中肝癌症0 cm / s血流速度和结果是695年代。图9说明上的温度分布y- - - - - -z飞机的多孔模型与不同的血流速度。周围的温度分布是不对称的4 t天线温度分布在一侧延伸向上顶部由于上游流(图9 (b))。血液流动的速度低于5厘米/秒,沿着血管壁的温度高于37°C。当血流速度超过5厘米/秒,沿着血管壁的温度保持在37°C由于高温对流从血液流动,从而更不对称的温度分布。高血流速度导致较小的损伤尺寸从62.87厘米病灶体积减少³(0 cm / s)到56.63厘米³(200 cm / s),如表所示3。在血流速度的存在,消融肝肿瘤(即低于100%。,complete destruction) as the hepatic tissues surrounding the blood vessel remained unablated (Figures9 (b)- - - - - -9 (f))。

3.5。血管位置对损伤的影响形成和组织变形

不同血管的影响(即(直径1厘米)位置。,0, 0.8, and 1.3 from point A) on the lesion formation in the 5 cm hepatic cancer porous model at the constant 16.7 cm/s flow velocity were determined by comparing the temperature distributions. In addition, the effects of thermal strain on tissue deformation were investigated.

温度分布。图10说明了模拟的温度分布x- - - - - -y和y- - - - - -z飞机。数据10 ()- - - - - -10 (c)分别说明血管位置的温度分布在0,0.8和1.3厘米。与无血管病变形成的条件是对称的,病变形成的血管是不对称的。

如表所示3,4 t天线可以诱导癌组织内的兆瓦电力破坏肝癌症。在血管位置0厘米,大约有90.30%的肝肿瘤切除。在0.8和1.3厘米的位置,破坏率,分别为96.27%和99.55%。

总位移。图11显示了模拟最大温度和肝组织的总位移由于热应变相对于时间的5厘米肿瘤多孔模型与0厘米船舶位置和16.7厘米/ s血流速度。加热段MW消融和随后的冷却时间都是900年代。总位移大幅增加,热处理后立即开始。在加热期间,组织位移不断增加和减少由于组织坏死(加强)在冷却期间。组织位移达到5.9毫米的峰值在90°C。的冷却时间,温度和位移下降到56.3°C从最初90°C(在加热期间终止),从5.9毫米到3.8毫米。

4所示。讨论

本研究的目的是构建一个最现实的有限元模型,代表了组织转型期间和之后MW肝脏消融。在有限元分析中,2.45 GHz 4 t天线部署在肝癌消融在多孔肝组织模型,然后确定组织的温度分布。

不同血液流动的速度对温度分布的影响和组织变形(通过总位移)的血管是在直接接触(0厘米)4 t天线测定。此外,本研究调查了影响温度分布上的不同血管的位置和组织变形。

分析固体的热破坏和多孔模型表示不同的特定吸收率(SAR)的肝组织在兆瓦消融。在实体模型分析,肝脏组织被认为是均匀的决心没有空洞和温度分布,只有新兴市场属性,组织热性能,bioheat方程。

多孔肝组织模型也被认为是同质但是包含小孔隙内。多孔组织是由组织阶段和间隙空间(27]。在多孔模型分析中,除了EM属性,组织热性能,bioheat方程,组织力学性能(即。,porosity, viscosity, and Young’s modulus, thermal expansion coefficient, and Poisson’s ratio) are required to perform the thermal, electric, fluid flow, and structural analyses. By comparison, the simulated SAR and temperature were higher in the porous model than in the solid tissue, a phenomenon attributable to the higher electrical and thermal conductivities of fluid (i.e., blood) inside the porous tissue in relation to those of the tissue.

在1厘米的存在血管血流速度高、温度分布模式的不对称是由于热量的损失应由血液流动,见图9- - - - - -10(25]。流动的血液作为散热器,从而消散热热量从周围的组织。肝肿瘤的比例破坏和损伤形成的形状受到血管之间的距离和4 t天线。高血流速度有利于对流冷却效果,因此组织温度较低的区域毗邻血管。

根据(50),最初的热位移迅速增加。如果持续加热,位移将继续增长,但速度较慢。它可以得出结论,组织位移的变化特征表明燥热引起的肝组织结构变化。此外,热位移的减少冷却但不回到预热状态。

主要分析在这项研究中简化假设的局限性(例如,简单的不可压缩流体稳定流动)的血流和能量方程(见(1)- (2))。此外,我们假设4 t的导线天线是一个完美的电导体。没有相变发生在肝脏组织和能量交换通过肝组织的外表面是允许的。未来的研究将解决这些限制将导致更精确的有限元模型。

5。结论

本研究提出了三维有限元分析MW肝脏消融在各种条件下使用4 t天线。有限元分析是首先进行固体和多孔肝脏模型3 cm-in-diameter肿瘤或肿瘤5 cm-in-diameter调查特定吸收率(SARs)沿着4 t天线插入深度和温度分布。5厘米的多孔肝组织模型肿瘤MW-ablated使用提出4 t天线进一步检查的介绍1 cm-in-diameter血管和血流速度的变化(0 - 200 cm / s)和血管位置(0,0.8和1.3厘米的远端4 t天线)。此外,机械组织变形和肝脏组织位移也被观察到。这种基于模型的方法在经济上是合理的和医疗安全作为第一步发展的简单的工具来提高治疗效果。验证有限元分析结果,更为现实在体外和在活的有机体内实验研究将成为我们未来的一部分。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由蒙国王的理工学院Ladkrabang (KMITL) (KMITL研究基金,苏潘Tungjitkusolmun)。