对于恶性肿瘤的治疗方法有多种:包括传统手术治疗、化学治疗、放射物理治疗、生物靶向治疗等。然而很多恶性肿瘤患者由于种种限制无法耐受传统的外科手术,同时对于部分中晚期的癌症患者往往在放疗或者化疗中获益有限,并不能有效缓解不适症。因此许多新的局部治疗手段被逐渐应用到临床,其中微波热疗技术是一种极具潜力的治疗方式。但到目前为止,在进行微波热疗消融时主要凭借医生的临床经验设计治疗方案,其个人主观因素对整个治疗过程和最终效果影响较大,甚至起到决定性作用。为了实现肿瘤的精准治疗,在实行热疗消融术前,基于计算机技术将影像分析平台与数值模拟的方法相结合,构建微波热疗计划系统,实现对病人解剖结构的三维可视化,辅助医生确定热疗天线的穿刺路径,同时基于数值仿真方法获得热疗区域温度场的分布情况,对介入医生在热疗天线类型、热疗功率、治疗时间等参数进行辅助指导,这对提高微波热疗技术的精准性具有极大帮助。本课题主要针对实现微波热疗计划系统及其关键技术进行研究,主要研究内容如下:(1)在肺部微波热疗过程中,由于肺的呼吸运动,导致很难精准预测和控制微波热疗消融区。因此研究了呼吸过程肺部物性参数变化对微波热疗区域温度分布及热损伤情况的影响。首先,基于描述肺部呼吸过程的4D-CT影像序列,根据多孔介质的理论,得出了呼吸过程中肺组织有效导热率的变化。然后基于肺部呼吸过程中变化的物性参数建立肺部微波热疗模型。(2)为了研究微波热疗技术在不同类型肿瘤中治疗效果,研究了单缝同轴微波热疗天线在脑白质肿瘤、脑灰质肿瘤、乳腺脂肪肿瘤、乳腺腺体肿瘤、肾脏肿瘤、肺部肿瘤(充气和未充气状态下)、肝脏肿瘤和肌肉瘤中的SAR值、消融区域温度分布及消融灶形态。同时也建立多种结构类型的介入式热疗天线消融模型,大量仿真结果为计划系统中构建治疗参数搜索数据库提供基础。(3)微波热疗计划系统的设计及实现。为了实现系统的功能,将微波热疗手术计划系统分三个模块设计。这三个模块分别是影像分析模块、热疗区域温度分布预测模块和治疗参数输出模块,可在主界面统一调用来实现相应功能,完成热疗穿刺路径规划与最佳治疗参数的预测。影像分析模块是基于对3DSlicer功能模块的扩展,实现肿瘤及周边结构组织快速自动化分割及三维重建。基于患者个体化三维解剖模型,辅助医师基于三维解剖模型直观的进行热疗天线穿刺路径规划,以确保避开周围危及器官、大血管等关键位置,提高热疗天线穿刺路径的安全性和准确性。热疗区域温度场预测模块是整个微波热疗计划系统的基础,实现热疗损伤区域的可视化。治疗参数自动输出模块是基于“搜索”匹配算法得到的,其原理是根据介入医生提出的理想治疗需求,在治疗结果数据库中快速搜索最佳适形匹配的热疗效果,进而逆向输出治疗参数辅助指导医生。最后对微波热疗计划系统预测的治疗效果与输出治疗参数的精度进行了验证,结果表明微波热疗计划系统对热疗消融区域的长轴和短轴参数预测与离体实验结果基本保持一致,输出的治疗时间和治疗功率平均误差分别小于0.5min和6W。该系统可对医生制定微波热疗手术方案提供辅助指导。