微波消融联合液体灌注在多孔介质肝脏中的仿真与离体实验研究

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:chenmojay
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原发性肝细胞癌是常见的恶性肿瘤之一,现已严重威胁人类的生命健康。微波消融以其热效率高、安全性高、治疗稳定等优势成为临床治疗肝脏肿瘤的重要手段之一。但是微波消融对治疗肝脏大肿瘤(直径>3cm)还存在一定的缺陷,即单针单次消融很难彻底损毁肿瘤细胞。为完善微波消融治疗大肿瘤的缺陷,临床上可采用液体灌注联合微波消融的方法。但目前没有理论上的数据表明联合消融能够有效地扩大消融区域,同时由于肝脏的生理结构特征,可作为多孔介质模型进行模拟计算,因此本文通过有限元方法对微波消融联合液体灌注在多孔介质肝脏进行数值仿真,讨论肝脏作为多孔介质模型的可行性,同时验证此联合液体灌注的方法是否能有效地扩大消融区域,以达到治疗肝脏大肿瘤的目的,同时进行相关的离体实验,来验证仿真数据的真实性。具体研究内容如下:  1.验证了肝脏作为多孔介质模型在微波消融仿真计算的可行性。肝脏模型建立可分为两种,生物组织模型和多孔介质模型。当肝脏作为生物组织模型时,建立三维肝脏微波消融模型,进行电磁场-温度场的耦合计算。其中消融功率分别设定为40W、60W、80W,消融时间设定为300s;当肝脏作为多孔介质模型时,肝脏的孔隙率分别设定为0.05、0.1和0.15,血流速度分别设定为0.4cm/s和2cm/s。对比两个模型的消融温度场的横径、纵径、面积和体积四个参数,分析消融功率、肝脏孔隙率、肝脏血流速度对消融的影响,以及肝脏作为多孔介质模型的可行性。  2.进行了微波消融联合液体灌注在多孔介质肝脏中的仿真计算。建立了三维的肝脏多孔介质模型以及灌注型微波天线模型,设定消融功率为40W、60W,消融时间设定为600s,肝脏的孔隙率设定为0.05,血流速度设定为Ocm/s(考虑与离体实验作对比)。注射液体分别为生理盐水、无水乙醇,液体注射量分别为10ml、20ml。同时设定一组无注射液体组作为对照组。对比消融温度场的横径、纵径、面积、体积以及横纵比五个参数,分析注射液体对消融温度场的影响。  3.进行了微波消融联合液体灌注在肝脏中的离体实验研究。在离体牛肝上做微波消融实验,设定消融功率为40W、60W,消融时间为600s,注射液体为生理盐水、无水乙醇,液体注射量为10ml、20ml,同时设置一无注射液体组作为对照组。对比消融温度场的横径、纵径、面积、体积以及横纵比五个参数,分析注射液体对消融温度场的影响,并与仿真数据作对比分析。  结果显示:  1.当肝脏作为多孔介质模型进行仿真计算时,肝脏孔隙率由0.05增大到0.15时,消融区域的体积减小2.92%;肝脏的血流速度由0.4cm/s增大为2cm/s时,消融区域的体积减小0.3%,说明随着孔隙率和血流速度的变化,消融区域的体积变化并不明显。  2.微波消融联合液体灌注的仿真计算中,当注射生理盐水时,随着消融功率的增加(40W到60W)和液体注射量的增加(10ml到20ml),消融区域的体积与无注射液体组体积相比增大率为31.69%-125.29%,横径由无注射组的2.81cm扩大到4.11cm。当注射无水乙醇时,随着消融功率和液体注射量的增加,消融区域的体积增大率为69.5%-144.4%,横径由无注射组的2.81cm扩大到4.6cm。  3.离体实验的结果显示,当注射生理盐水时,随着消融功率和液体注射量的增加,消融区域的体积增大率为49.01%-61.79%,横径由无注射时的4.43cm扩大到5.35cm;注射无水乙醇时,随着消融功率和液体注射量的增加,消融区域的体积增大率为64.42%-152.29%,横径扩大到7.07cm。  本文通过微波消融联合液体灌注在多孔介质肝脏中的仿真与离体实验研究,验证了肝脏作为多孔介质模型进行计算的可行性,同时为联合液体灌注能够扩大消融区域提供了理论依据。
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