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原发性肝肿瘤为世界上第六大常见恶性肿瘤，严重威胁着人类生命安全。目前，微波消融和射频消融已成为治疗肝肿瘤的有效微创手段，但温度分布的精确预测和肝肿瘤的适形消融治疗仍是临床应用中亟待解决的关键技术。一方面，组织特性参数因个体差异和治疗温度变化而具有特异性，如何精确地表征患者的特性参数值得深入研究;另一方面，如何利用热凝固区“适形”覆盖肝肿瘤物理模型以实现肝肿瘤的最优治疗仍为热消融手术计划领域的研究难点。本文对上述科学问题进行研究和探讨，研制一种新型肝肿瘤热消融治疗手术计划系统，输出优化的治疗参数，为临床医生提供科学可靠的参考依据。主要研究内容包括如下:
1)微波消融和射频消融温度分布仿真模型的建立及参数敏感性分析。基于Pennes生物传热方程和麦克斯韦电磁方程构建了2450-MHz微波消融和伞形电极射频消融的温度分布有限元仿真模型。为了提供温度分布仿真模型的敏感性参数以及模型与特性参数的相关性，基于方差分析技术导出特性参数对温度变化的方差贡献率和主效应以获得模型的显著性影响因素，从而可用于进一步地简化模型和指导临床实验。另外探讨了因子设计法、曲面响应设计法和田口设计法在不同仿真模型参数敏感性分析中的具体应用。实验结果表明，对于微波消融温度分布仿真模型而言，特性参数对不同时问的近场点温度具有特异性影响，水冷效果对远场点温度的影响极小;对于伞形电极射频消融温度分布仿真模型而言，组织等效电阻和电导率具有显著敏感性，其他参数具有较低敏感性。特性参数的敏感性分析结果可为特性参数的特异性反馈研究提供科学参考。
2)微波消融和射频消融实验平台的构建及实验验证。为了验证仿真模型的精确性，搭建了热消融实验平台。微波消融实验平台包括微波消融仪KY-2000或MTC-3、测温针、数据采集装置、蠕动泵、微波体模或离体猪肝和钢尺;伞形电极射频消融实验平台包括温控射频消融仪RFA-I、测温针、数据采集装置、仿肝组织体模、接地垫和钢尺。在不同的热消融模式下，针对离体肝脏或仿肝组织体模进行20次实验，利用测温针测定不同点的温度并且利用钢尺测量热凝固区的尺寸。各种热消融模式下的消融实验分别在相同的环境条件进行，实验结果取20次实验的平均值。温度分布和热凝固区尺寸的实测结果为仿真模型的改进以及热凝固区的表征提供了金标准。
3)基于单针反馈策略的特性参数反馈及温度分布仿真研究。本文创新性地提出了基于敏感性分析技术和单针实测技术的特性参数表征方法。首先利用敏感性分析技术获得有限元仿真模型中的特异性反馈点，然后通过最小化仿真数据与单针实测结果之间的误差来导出热物性参数和电特性参数的特异性反馈形式，最后利用此反馈形式进行温度分布仿真以验证温度的预测精度以及本方法的可行性。研究结果如下:就基于体模的2450-MHz微波消融而言，各测温点的最大误差的平均值为3.248℃，平均误差的平均值为1.411℃，标准偏差的平均值为0.962℃;就基于离体猪肝的2450-MHz微波消融而言，各测温点的最大误差的平均值为2.879℃，平均误差的平均值为1.126℃，标准偏差的平均值为0.836℃;就基于仿肝组织体模的伞形电极射频消融而言，各测温点的最大误差的平均值为1.842℃，平均误差的平均值为0.867℃，标准偏差的平均值为0.555℃。因此，基于参数反馈形式的仿真结果与实测结果具有很好的一致性，从而能够显著地提高预测精度。
4)基于特征长度生长模型和形状变异因子的热凝固区表征。对于肝肿瘤而言，通常将54℃设定为热凝固阈值。本文基于特征长度的幂函数生长模型和形状变异因子提出了54℃等温面(IS-54)的表征函数。利用此函数形式，热凝固区的计算结果与仿真结果之间的标准偏差小于1mm，并且统计结果表明，这两者之间不具有显著性差异。该方法可简单有效地预测热凝固区随时问的变化，由此为热消融手术提供可靠的凝固区范围。
5)基于双极角标测技术的肝肿瘤适形覆盖算法研究。为了实现肝肿瘤的最优适形覆盖，基于双极角(偏移角和旋转角)标测技术对肝肿瘤表面重建结果和IS-54进行二维投影、二维标测和图像融合。在偏移角和旋转角分别对准的前提下，通过比较肝肿瘤和IS-54的相应极半径来完成适形覆盖。本研究涉及肝肿瘤表面模型的完全投影且无需肝肿瘤/IS-54的逐点配准，因此能够极大地降低计算量并且有效地保证适形覆盖精度。
6)计算机辅助肝肿瘤热消融治疗手术计划系统的研制。通过Vc++和MITK开发了计算机辅助肝肿瘤热消融治疗手术计划系统。该系统由可视化和建模模块、热凝固区分析模块以及手术规划与预测模块构成。本文针对15例肝肿瘤CT图像序列进行三维重建以导出肝肿瘤的三维量化结果;将肿瘤的重心作为进针位置，并且将肿瘤的长轴作为热消融针的进针方向，由此确定介入路径;随后基于热凝固区表征模型和适形覆盖算法实现了肝肿瘤的适形覆盖，获得了15例肝肿瘤患者的最佳治疗计划，从而证明了该系统的有效性和可行性。概括而言，该手术计划系统的研制可辅助临床医生寻找优化的热消融治疗参数，因而对于发展和推广精准的肝肿瘤热消融技术具有重要的现实意义。
1)微波消融和射频消融温度分布仿真模型的建立及参数敏感性分析。基于Pennes生物传热方程和麦克斯韦电磁方程构建了2450-MHz微波消融和伞形电极射频消融的温度分布有限元仿真模型。为了提供温度分布仿真模型的敏感性参数以及模型与特性参数的相关性，基于方差分析技术导出特性参数对温度变化的方差贡献率和主效应以获得模型的显著性影响因素，从而可用于进一步地简化模型和指导临床实验。另外探讨了因子设计法、曲面响应设计法和田口设计法在不同仿真模型参数敏感性分析中的具体应用。实验结果表明，对于微波消融温度分布仿真模型而言，特性参数对不同时问的近场点温度具有特异性影响，水冷效果对远场点温度的影响极小;对于伞形电极射频消融温度分布仿真模型而言，组织等效电阻和电导率具有显著敏感性，其他参数具有较低敏感性。特性参数的敏感性分析结果可为特性参数的特异性反馈研究提供科学参考。
2)微波消融和射频消融实验平台的构建及实验验证。为了验证仿真模型的精确性，搭建了热消融实验平台。微波消融实验平台包括微波消融仪KY-2000或MTC-3、测温针、数据采集装置、蠕动泵、微波体模或离体猪肝和钢尺;伞形电极射频消融实验平台包括温控射频消融仪RFA-I、测温针、数据采集装置、仿肝组织体模、接地垫和钢尺。在不同的热消融模式下，针对离体肝脏或仿肝组织体模进行20次实验，利用测温针测定不同点的温度并且利用钢尺测量热凝固区的尺寸。各种热消融模式下的消融实验分别在相同的环境条件进行，实验结果取20次实验的平均值。温度分布和热凝固区尺寸的实测结果为仿真模型的改进以及热凝固区的表征提供了金标准。
3)基于单针反馈策略的特性参数反馈及温度分布仿真研究。本文创新性地提出了基于敏感性分析技术和单针实测技术的特性参数表征方法。首先利用敏感性分析技术获得有限元仿真模型中的特异性反馈点，然后通过最小化仿真数据与单针实测结果之间的误差来导出热物性参数和电特性参数的特异性反馈形式，最后利用此反馈形式进行温度分布仿真以验证温度的预测精度以及本方法的可行性。研究结果如下:就基于体模的2450-MHz微波消融而言，各测温点的最大误差的平均值为3.248℃，平均误差的平均值为1.411℃，标准偏差的平均值为0.962℃;就基于离体猪肝的2450-MHz微波消融而言，各测温点的最大误差的平均值为2.879℃，平均误差的平均值为1.126℃，标准偏差的平均值为0.836℃;就基于仿肝组织体模的伞形电极射频消融而言，各测温点的最大误差的平均值为1.842℃，平均误差的平均值为0.867℃，标准偏差的平均值为0.555℃。因此，基于参数反馈形式的仿真结果与实测结果具有很好的一致性，从而能够显著地提高预测精度。
4)基于特征长度生长模型和形状变异因子的热凝固区表征。对于肝肿瘤而言，通常将54℃设定为热凝固阈值。本文基于特征长度的幂函数生长模型和形状变异因子提出了54℃等温面(IS-54)的表征函数。利用此函数形式，热凝固区的计算结果与仿真结果之间的标准偏差小于1mm，并且统计结果表明，这两者之间不具有显著性差异。该方法可简单有效地预测热凝固区随时问的变化，由此为热消融手术提供可靠的凝固区范围。
5)基于双极角标测技术的肝肿瘤适形覆盖算法研究。为了实现肝肿瘤的最优适形覆盖，基于双极角(偏移角和旋转角)标测技术对肝肿瘤表面重建结果和IS-54进行二维投影、二维标测和图像融合。在偏移角和旋转角分别对准的前提下，通过比较肝肿瘤和IS-54的相应极半径来完成适形覆盖。本研究涉及肝肿瘤表面模型的完全投影且无需肝肿瘤/IS-54的逐点配准，因此能够极大地降低计算量并且有效地保证适形覆盖精度。
6)计算机辅助肝肿瘤热消融治疗手术计划系统的研制。通过Vc++和MITK开发了计算机辅助肝肿瘤热消融治疗手术计划系统。该系统由可视化和建模模块、热凝固区分析模块以及手术规划与预测模块构成。本文针对15例肝肿瘤CT图像序列进行三维重建以导出肝肿瘤的三维量化结果;将肿瘤的重心作为进针位置，并且将肿瘤的长轴作为热消融针的进针方向，由此确定介入路径;随后基于热凝固区表征模型和适形覆盖算法实现了肝肿瘤的适形覆盖，获得了15例肝肿瘤患者的最佳治疗计划，从而证明了该系统的有效性和可行性。概括而言，该手术计划系统的研制可辅助临床医生寻找优化的热消融治疗参数，因而对于发展和推广精准的肝肿瘤热消融技术具有重要的现实意义。