计算有限元模型,幻影和体外猪乳房的验证一个优化Double-Slot Microcoaxial天线用于微创乳腺肿瘤消融:理论和实验温度的比较,病灶大小,和SWR,初步数据

文摘

恶性肿瘤是世界的一个主要卫生问题,乳腺癌是女性中最常见的一种癌症。在癌症检测科技上的进步使治疗在早期阶段;然而,有必要开发治疗携带更少的并发症和审美的影响。这项工作提出了一个可行性研究使用微波消融作为乳腺癌治疗的新技术。微波器设计也提出了这一目的。设计天线的耦合与计算机模拟预测。通过仿真获得的驻波比是1.87和1.04实验验证的结果。优化天线的最佳耦合(SWR = 1.04)因此消融温度可以实现使用低功率在一个相对短的时间。不同的时间和力量,加热模式可以改变治疗不同的肿瘤。然而,仍然存在一些差异,介电性能的深入研究及其与温度变化是必需的。

1。介绍

最常见类型的报道全球癌症死亡人数(要求)是肺、胃、肝、研究、食道、和前列腺癌的男性,和乳腺癌、肺癌、胃癌、研究、和子宫颈,在女性。乳腺癌是女性最常见的癌症类型之一(1,2),我们有我们的研究集中于它的微创治疗。这种类型的手术是传统的癌症治疗(3]。

当前工作提出了一个新技术的微创疗法利用微波消融(MWA)。使用微波消融能量是一个令人鼓舞的方法因为它可以热乳房癌(高含水量组织)比脂肪或乳房腺健康组织(低含水量的组织);此外,它可以用于治疗病人不适合手术麻醉的风险。MWA呈现优于其他疗法(4- - - - - -6使它更具吸引力治疗乳腺癌肿瘤;然而,重要的是要提到我们所知的只有一个乳腺癌治疗的临床试验报道,使用MWA文献[7]。的一些好处MWA是一种改进的对流,常数瘤内温度更高,更快的消融时间,使用多个探针的可能性同时处理多个病灶。此外,接地垫的位置并不是必要的;这样可以减少皮肤烧伤的危险。另一个优势是,MWA创建消融区比其他疗法具有类似大小的涂抹器(8]。最后,大小和形状的MWA区可能更一致和较少依赖吸热效应从邻近的血管结构的损伤9,10]。

由于乳房x光检查的使用,增加乳腺癌的检测在初始阶段已经增加,这有助于其非侵入性治疗和微创技术。这些技术与消融技术可分为射频消融(RFA), MWA,激光光凝术,超声消融,冷冻疗法11]。这些治疗是患者不错的选择不能进行手术治疗。

MWA响应较低脂肪和腺体组织的加热的加热相比,乳房癌因其高含水量(12]。运动的MWA是因为极性分子的组织。分子试图结合产生的电场,由于这一领域的极性改变每秒数百万次,他们不断地振动。这个运动产生摩擦和小说导致组织加热。MWA的目的是彻底摧毁癌症组织和周围的健康组织的安全裕度。组织的热破坏取决于最高温度达到和博览会的时间;有实验研究支持,60分钟43°C是杀肿瘤的,和杀死肿瘤细胞所需的时间减少了一半,每度增加43°C以上(13,14]。在这工作,55°C等温轮廓被认为是消融区,由于时间需要破坏细胞在这个温度小于一分钟(15]。各种各样的应用者MWA已经提出了他们的使用;他们中的大多数都是基于一个同轴结构。同轴器设计包括磁单极子,偶极子,和槽涂抹器;他们通常覆盖着一个聚四氟乙烯(PTFE)导管以减少涂料的附着力消融暴露(碳)组织。广泛的审查这些涂抹器可以在16),尽管他们已经应用于乳腺癌治疗。

偶极子天线通常是由半刚性的同轴电缆;为其设计,应考虑三个重要的地区。第一个区域是天线的远端提示(通常称为扩展)这是一个特定长度的金属部分。第二个区域是一个槽(通常称为缺口或结),充当电磁波传播的有效来源。最后一个区域的插入深度与可变长天线。简单的偶极子是一种涂布建设;然而,这种天线产生的病变是高度依赖于插入深度。

磁单极子是一个器采用半刚性的同轴电缆的外导体删除为了留下一个细长的内导体周围径向介电材料。磁单极子器有一些变化,取决于最后的小费。

最后,缝隙天线是MWA最受欢迎的设计之一。这是由切一个小环槽的外导体薄半刚性的同轴电缆,然后外和内导体短路在远端天线。的一些因素,修改器的辐射模式这种类型的槽的宽度,远端提示周围的介质,从槽长度的尖端。

因为做实验验证所有这些类型的涂抹器是一个广泛的任务,结果有用的计算模型利用面临这个问题。数值方法是一个很好的方法来解决复杂的物理问题,考虑到目前的硬件并不昂贵,它是足够强大;由于这越来越多的研究人员使用解决电磁问题的计算模型和组件的设计。有几种数值方法和有限差分方法,使用有限差分近似衍生品或有限元法(FEM)的问题比较大,细分成更小的、简单的部分,用一个简单的方程模型。这些方程然后组装成整个大系统模型问题。

有几个商业像COMSOL软件程序使用有限元,有限元分析,ANSYS, SolidWorks。在这些软件中,COMSOL使用电磁学和热库,允许用户解决多重物理量的问题使它能够模拟的电磁影响涂布和热损伤在一个单一的计算,这是用于这个调查的原因。

在这个工作中,建立了一个优化double-slot天线和计算模拟中使用MWA治疗乳腺癌。天线被使用有限元方法建模和麦克斯韦bioheat方程。然后,天线是由使用微同轴电缆修改为了有两个插槽。在这两种情况下,温度分布和驻波比(SWR)。在乳房模仿幻影和实验进行了体外猪的乳房。SWR和温度分布进行比较,以确定使用这个新技术的可行性在乳腺癌的治疗。

2。材料和方法

2.1。器设计

这里的涂布提出由一个微同轴电缆有两个1毫米宽槽位于远端天线的一部分。器的直径大约是2.2毫米;外导体是铜做的;电介质是低损耗聚四氟乙烯和内导体镀银铜线(SPWC)。表1显示尺寸细节和热性能的天线和乳房组织。

天线的几何参数选择考虑到有效波长在2.45 GHz的肿瘤组织(这个频率选择的考虑,它属于ISM波段和全球可用)。波长计算通过使用以下方程: 在哪里代表了光在自由空间中的传播速度(米/秒),代表的工作频率发生器(2.45 GHz),代表了肿瘤在工作频率的相对介电常数(59.385),和代表了磁相对渗透率(1)。这些值的计算波长为15.88毫米;然而,自组织不均匀,这个值是仅作为参考使用。

器几何图所示1。注意,第一个槽之间的距离和小费和两个槽之间的距离大约0.25 。

2.2。有限元法

许多研究人员已经使用基于计算机的电磁学模型器数学模型的设计。这些方法的重点是解决电磁基本方程与麦克斯韦方程。有三个主要的电脑电磁学模型:有限差分法、矩量法、有限元法。有限元法可以迅速为用户提供解决多个微分方程系统,因此它满足传热问题[19]。此外,它是一种数值计算技术,可以制定功能最小化。有限元法是将一个复杂的几何划分为小的元素偏微分方程组,计算节点或边缘。解决的方法是制定基本的电磁方程,称为麦克斯韦方程。然而,为了开发消融过程的精确模型,知识组织的电磁特性,如介电常数和电导率和适当的初始和边界条件,必须已知。

2.3。计算机模型定义

模拟进行了利用COMSOL多重物理量™4.4软件(COMSOL Inc .)、伯灵顿,MA)。由于模型有一个轴向对称,二维轴对称模型被用来减少计算时间。假定为模型,介绍了天线在肿瘤周围乳腺组织。纵轴是定向天线沿着纵轴和横轴是面向沿径向方向如图2。

电磁模拟的边界条件是散射外边界,边界条件的设在轴对称;热模拟的边界条件都是外部恒定的温度(25°C)设在轴对称。有限元法(FEM)被用来模拟微波同轴天线的性能。线性规划求解有限元模型进行构建亚军天线几何。在有限元模型网格设置有0.004毫米和2毫米大小,最小和最大元素分别;最大元素大小选择考虑的最小波长实验中对肿瘤组织(大约2.1毫米2.45 GHz的频率);模型有27顶点元素,2412年边界元素,元素,12135和42756自由度解决。图3显示了仿真网格;这是附近的细槽,预计最高温度。模型解决了25秒使用1.18 GB的物理内存和1.42 GB的虚拟内存。4.0 GHz Intel Core i7 32 GB RAM 1333 MHz DDR4电脑被用来处理模型。

MWA性能评估是很重要的测量频率相关的反射系数和特定吸收率(SAR)模式的组织。反射系数描述反射波的振幅或强度相对于入射波。这个系数可以表示对数 在哪里输入功率和吗代表了反射功率(瓦特)。SAR代表平均功率沉积的数量每单位质量的组织(W·公斤⁻¹在任何位置);它可以表示为 在哪里代表组织电导率(S·m⁻¹),是组织密度(公斤·米⁻³),代表了电场(V·m⁻¹)。的吸收微波能量导致组织温度上升;然而,它并不确定最终的组织温度分布。应该考虑热影响,人们bioheat方程可以用于此目的20.]: 在哪里代表组织导热系数(W·m⁻¹·K⁻¹),是血液密度(公斤·米⁻³),代表血液的比热容(J·公斤⁻¹·K⁻¹),是血液灌注(公斤·m⁻³·年代⁻¹),代表血液温度(K),是最后的温度(K)。最高的物理现象反响的热传导方程是微波加热和组织。血液的温度大约是一样的身体核心温度。热辐射(热传导)和代谢热发生在MWA认为是最小的,是被忽视的。另外,在体外样品 由于没有灌注。为 ,微波加热是;通过电阻加热,微波产生热量,热量正比于外加电场的平方(): 的计算模型、天线由50Ω半刚性的同轴电缆(模型ut - 085、Micro-Coax PA,美国)(21),使用。天线是包裹在聚四氟乙烯导管为了防止粘连的天线干的切除组织。很重要,聚四氟乙烯导管添加到仿真,因为根据(18),它也影响了SAR分布和加热模式。

仿真中使用的条件如表所示2。

2.4。模型验证

为了验证仿真器的性能,它是由使用microcoaxial半刚性的电缆(ut - 85)和SMA连接器。图4显示了图的实验验证。

2.5。电磁辐射系统

为了激发器,信号发生器(模型SML03,罗德与施瓦茨,慕尼黑,德国)连接到一个放大器(1164 - bbm3q6ahm模型,赋予,纽约,美国)被用来提供一个10 W涂布测试信号。

2.6。驻波比和介电性能测量

驻波比(SWR)测量是表现在两个方面:有或没有一个耦合阻抗网络。天线是沉浸在一个幽灵,连接到一个网络分析仪(美国模型E5071B ENA,安捷伦公司)来测量天线的反射系数。该设备也被用来测量乳房组织的介电性能和幻影85071 e材料测量软件的使用(模型5988美国9472 en,安捷伦公司)和85070 e介电开放式同轴探针工具(模型5989美国0222 en,安捷伦公司)。

阻抗匹配网络由一个存根类调谐器(型号2612 c2, Maury微波公司、钙、美国)。

2.7。幻影设计

一个幽灵是不同材料的混合物与人体组织的介电性能相似。肿瘤组织的介电常数是大约10倍高于正常组织(12]。

以前的作品被认为是在设计和施工的幻影12,24]。相对介电常数和电导率非常重要属性MWA工作;因此,他们测量了幻影精化后网络分析仪。图5显示这些属性作为频率的函数。表3显示了一个2.45 GHz频率的测量值。

乳房幻影的精化、植物油(150毫升),再蒸馏的水(50 ml),中性洗涤剂(30毫升),和琼脂糖(4.5 g)混合并加热;乳腺肿瘤的幻影由再蒸馏的水(100毫升),乙醇(60毫升),氯化钠(1 g)和琼脂糖(1.5 g)。

至于准备使用的几何幻影,乳房组织幻影breast-shaped模具和一个球体直径2.5厘米的癌组织的幻影。乳房的大小模具的平均值测量一组十个志愿者的女性胸罩尺寸34 b。球面几何被选中是因为它有轴向对称,和球体大小选择考虑已经从T1到T2的肿瘤,恶性肿瘤的TNM分类(25]。这些几何图形如图6。鬼都是固体;细化后的肿瘤幽灵球被从模具上,然后插入在乳房幻影混合物凝固之前。

2.8。验证实验

肿瘤内的插入器由乳房包围的幻影。超声波扫描仪(Aloka模型ProSound 6日,瑞士)一起使用这个过程来验证位置提出了计算模型实现,图7。一旦器定位,SWR测量。验证的温度达到,插入器体外猪从当地屠宰场获得乳腺组织。为了将涂布和温度传感器、半打开状态的组织。图8显示设置的验证实验。

为了测量温度在组织内部,三个光纤温度传感器(机顶盒医疗探针,Luxtron MAR”Lumasense 05,圣克拉拉、钙、美国)。探针的温度范围是0到120°C,它们的长度是1米直径0.5毫米,和响应时间是0.25秒。传感器是non-electromagnetically干扰。他们连接到一个温度计(Luxtron模型3300年,CA,美国),分辨率为0.01°C,为了监控温度和储存数据,通过rs - 232电缆,在个人电脑。传感器被放置在最热的点根据仿真(1.6毫米,2.6毫米),旁边一个涂布靠近组织面(1.32毫米,100毫米),最后一个在涂布的距离等于最大消融半径(4.2毫米,3毫米),如图9。

3所示。结果与讨论

成功消融时被认为是总破坏肿瘤。这取决于温度达到破坏肿瘤,进而确定能量转移和天线之间的耦合和辐射媒体(幻影或组织);正确的耦合是必要阻止向后加热。由于这些原因,最重要的参数需要考虑在microcoaxial天线的设计达到最高温度,SWR,消融区。下面这些结果,首先计算机仿真和后来的实验验证。最后,提出了一种比较的。

3.1。计算机模型结果

图10显示温度通过计算机模型的分布器时插入到乳腺组织。最高温度达到后500秒(稳定状态所需的时间)为70.6°C的应用10 W的力量。病变的最大半径为4.2毫米(测量器的中心最远的径向点55°C等温曲线),和SWR 2.45 GHz的频率为1.84。图11显示了在临床情况下温度分布器插入12.5毫米半径的球面肿瘤周围乳腺组织。最高温度达到了10 W的力量,在500秒,110°C。受伤的最大半径是11.2毫米的SWR 2.45 GHz的频率为1.87。重要的是要注意,10 W的功率,受伤并不足以覆盖整个肿瘤,但是当执行治疗15 W的力量,总肿瘤消融。最高温度达到155°C, 500秒后,如图12。

3.2。实验验证

实验验证,进行温度测量体外猪的乳腺组织。此外,SWR测量进行肿瘤包围乳房的幻影;为了模拟仿真的条件,实验一式三份。图13显示了病变产生的涂布插入体外成猪乳房组织。最高温度达到了10 W的功率是90°C和病变的最大半径为4.3毫米。此外,SWR以肿瘤包围乳房的幻影2.45 GHz的频率为1.04。

3.3。比较

正如上面提到的,三个最重要的结果是达到最高温度,病变的直径,SWR。通过仿真获得的最高温度与10 W的功率和500年代的时候在健康乳房组织为70.6°C,而最高温度达到了实验验证中体外猪乳腺组织是90°C(图14显示了温升与时间,仿真和实验验证)。病变的最大半径是4.2毫米和4.3毫米模拟和验证实验,分别。最后,SWR获得的模拟临床情况(12.5毫米半径的肿瘤周围乳腺组织)2.45 GHz的频率为1.87,当SWR获得实验验证(12.5毫米半径的球体肿瘤幽灵包围乳房幻影)为1.04。图15显示了比较的SWR从2 GHz 3.5 GHz频段。简历的比较如表所示4。

4所示。结论

微波消融利用double-slot microcoaxial天线作为癌症治疗的涂抹器是一个有前途的技术。使用此技术的可行性研究进行了乳腺癌的治疗。病变的结果具体分析了温度、大小,和SWR计算有限元模型和物理模型(乳房幻影和体外猪组织)。

模拟演示的可能性获得消融温度,温度高于55°C。也观察到当乳房组织内的肿瘤,肿瘤内的热量针对性和更高的温度。这可以解释由于肿瘤之间的介电性能的差异和健康的乳房组织,这可能是一个优势,因为可以消除癌组织在不影响健康的组织。提到是很重要的,通过改变时间和力量,可以改变大小的烧蚀造成的损伤;因此,调整这两个变量,有可能治疗肿瘤的大小不同。

有关结果在物理模型、幽灵和猪乳腺组织,达到消融温度被确认的可能性。获得的温度为90°C的猪乳房组织,损伤是梨形的计算模型。

SWR,物理模型的低价值,1.04,。这个值近似更理想值,1.0,从模拟,获得比1.87。这个结果可以解释的事实组织的介电性能不如他们被认为是常数和同质的模拟。它也将成为重要的考虑,有变化的介电性能从主题到主题,并将需要包括一个系统以减少临床条件下的反射器。出于这个原因,是值得推荐的确定主题的组织属性为了运行一个计算模型,确定涂料的最佳位置。

然而,它仍然需要验证这些结果体外乳腺癌组织和在活的有机体内实验室测试结束前如果是可行的,使用这个microcoaxial天线乳腺癌治疗。

缩写

RFA:	射频消融
MWA:	微波消融
聚四氟乙烯:	聚四氟乙烯
有限元法:	有限元方法
SWR:	驻波比。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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