（测试计量技术及仪器专业论文）交变磁场肿瘤热疗温度场检测系统的研究.pdf

摘要 摘要 肿瘤局部热疗是目前肿瘤治疗的研究热点，其关键是检测和控制加热温度，目前 致力于研究的无创的温度场检测是该方面的技术难点。本论文针对交变磁场肿瘤热 疗系统中无创的温度场检测存在的关键问题，从理论和应用的角度对实验装置和温 度检测等难点进行了深入分析，主要做了以下研究： 对当今主要的无创测温技术如超声温度检测技术、红外热成像技术、m r i 温度 检测技术等做了大量的调研，分析、总结这些技术的特点。 从实用和精度等方面入手，选择了基于微测辐射热计的非制冷红外焦平面的温 度传感器，并研究了其工作原理和误差产生的原因，其中针对微测辐射热计u f p a 非 均匀性，采取线性的二点法纠正，针对红外热图像的特点，运用分段变换的方法对 图像灰度进行增强处理，使图像更直观。 采用微测辐射热计u f p a 的红外枪机、视频采集卡、p c 为硬件平台，设计了一套 适合人体体表和浅表温度场检测的红外热成像温度检测系统。 根据人体体内温度场分布情况，研究了有限元法在人体温度场的应用，对p e n n e s 方程在交变磁场肿瘤热疗中的一些参数和变量做了解析，使之应用于交变磁场肿瘤 热疗系统的人体温度场的重构。 在交变磁场肿瘤热疗中引入红外热成像测温技术和人体温度场a n s y s 有限元分 析方法，从而实现了人体温度场的无创检测，这种方法具有重要的研究意义，不仅 解决了有创测温只能检测点温度的问题，对患者也无需进行温度传感器的植入手术， 非常适合于人体内部重要器官和易大出血等的不适合手术的场合。 研究内容表明，将这种方法用于交变磁场肿瘤热疗系统中无创的温度场检测，并 可推广到其他热疗系统的无创温度检测场合，具有广泛的应用前景。 关键词：肿瘤热疗；交变磁场；磁介质；无创温度检测；非制冷红外焦平面；有限 元；灿l s y s ；p e n n e s 方程 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t l o c a lh y p e r t h e r i n i ai san e ws t l l d yh o t s p o t b u tt h ek e yi st od e t e c ta n dc o n t r o l t h e h e a t t i n gt e m p e r a t u r e n o n i n v a s i v et e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n ti ss t i l lak e y e n g i n e e r i n gm a d b l o c k t h i sp a p e rc o n t r a p o s ea n ds t u d yo nt h ek e yp o i n t so f n o n - i n v a s i v e t e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r c m e n ti na cm a g n e t i cf i e l dh y p e r t h e n n i a d e t a i lr e s e a r c hi sa s b e l o 、矾 1 h a v i n gm u c hr e s e a r c ho nn o n - i n v a s i v et e m p e r a t u r e6 e l dm e a s u r e m e n tt e c l l l l i q u e ，s u c h a su i t m s o n j c s ，i 州曙砸e d ，i r ia r l ds oo n ：a u t h o rh a v es u 埘衄a r i z e da i 】da n a l y z e dt l l e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e s et e c l l f l i q u e s 2 c o n s i d e r i n gp r a c t i c a l i t ya n dp r e c i s i o n ，a u t h o rc h o o s eu n c 0 0 1 e df b c u sp l a n ea r t a y ( u f p a ) d e t e c t o r ，a n ds t u d y “s 、v o r k i n gt h e o r ya n de r r o r s ，i w o 巾o i n ta d j u s t i n gm e t h o d i st oa d j u s tn o n u n a n i m o u so fu f p a h i s t o g r a me q u i l i b r i u mb a s e do np i e c e 、v i s e t m s f o 衄砒i o na n df l a k ec o l o r i n ga r ct oe n h a n c et l l ei n f r a r e di m a g e 3 i n f r a r c dc 锄e mb a s e do nu f 队，v i d e oc 印t u r ec a r da i l dp ca r es e t u p e dt ob ea i n 疔a r e di m a g et e m p e m t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hc a nb eu s e dt om e a s u r e s 曲c et e m p e r a t u r eo f h u m e nb o d y 4 s t l l d y i n gf e m 印p l i e di nh u r n e nb o d yt e m p e r a t u r cr e c o n s t r u c t i n gb a s e do np e 彻e s f l c t i o n p a r a r n e t e ra n dv a r i a b l eo fp e n n e s 允n c t i o na r ee x p l a i n e di na cm a 印e t i c f i e l dh y p e r t h e 兀n i a ，矾哇l i c hc a nb ea n a l y s e di nf e m a p p j y i n gi n f r a r c di m a g et e m p e r a t u r em e a s u r e m e mt e c h n i q u ea n da n s y sf l n i t ye l e m e n t a n a l y s ei nh u m e nb o d yt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt oc a 玎yo u tap r o j e c to fn o n i n v a s i v e t e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n t t h i sm e t h o dh a sv e r ys i g n i f i c a n tr e s e a r c hm e a n i n g i ti sa b r e a k m m u g hm a ti n v a s i v et e m p e m t u r em e a s u r e m e n tc o u l do n l yd e t e c tp o i n tt e m p e r a t u r e f u n h e rm o r e ，i t sn o tn e c e s s a r yt oi n s e r tat e m p e r a m r ed e t e c t o ri m ob o d y b ys u 昭e r yi t s f i tf o ru n s u i t e ds u r g e r ) r 也e r a p ys p e c i a l l yw h e nw i mm a s s i v eh a e m o r r h a g e r e s e a r c h s h o w st h a tt h i sm e t h o dh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o r c g r o u n dt ob eg e n e r a l i z e di no t h e r h y p e r t h e r n l i aa n dn o n - i n v a s i v et e m p e r a t u r cf i e l dm e a s u r c m e m i i a b 或r a c t k e y w o r d s ： h y p e n h e 姗i a ， a cm a g n e t i cf i e l d ， m a g n e t i cm e d i u m ， n o n i n v a s i v e 把m p e r a t u r ee s t i m a t i o n ，u n c o o l e df o c a lp l a 工1 ea r r a y ，f i n i t ee l e m e m ，a n s ”，p e 姗e sf u n c t i o n i i i 第一章绪论 第一章绪论 目前癌症严重地威胁着人类的健康与生命。根据世界卫生组织对全世界死亡 者的病因的统计，癌症已居其首位“1 ，因此需进行更深入地研究以探索出更有效 的诊断和治疗手段。近年来高热疗法( h y p e r t h e r m i a ，下面简称热疗) 得到了很大发 展，它不但能直接杀死癌细胞，而且可作为放、化疗的辅助治疗方法，提高细胞对放、 化行? 的敏感性，从而减少治疗剂量、提高治疗效果、减少因放、化疗损伤正常组织 而引起的并发症3 “们。肿瘤热疗的加热方法的有很多。是否能在加热过程中准确 测量与控制组织温度，以达到仅杀伤肿瘤组织而不损伤周边正常组织是热疗技术 和疗效的重要评判指标。迄今，虽然该方面的研究取得了很大进展，较好的疗效， 但并未达到临床的严格要求所以仍不失为当前热疗研究的热点。 1 1 肿瘤热疗的概况与发展 目前恶性肿瘤的治疗尚属世界性难题。传统的治疗方法，如手术、放射治疗 和化学药物治疗仍是当今国际医学界治疗癌症的三大支柱，对减轻患者的痛苦、 缓解临场症状、有效延长生命起到了不可低估的作用。尽管传统治疗方法取得了 长足的发展，但治疗效果长期徘徊不前，治疗费用高昂，以及治疗过程给患者带 来的损伤，仍然是阻碍肿瘤治疗学迅速发展的瓶颈问题。除以上三大手段外，发 展较快的治疗方法有肿瘤局部加热治疗。不论从热生物学，还是热疗设备方面都 取得了很大进步，给肿瘤治疗学发展带来新的希望，也是肿瘤治疗学取得重大突 破的出路之一。 1 1 1 肿瘤热疗的生物学机理及技术现状 肿瘤加热治疗采用物理加温，使癌变组织局部升温并杀死肿瘤细胞。现代热 生物学阐明巧1 ：肿瘤细胞对热高度敏感，肿瘤外围环境低p h 值和营养匮乏，而 内部供血和散热差，4 2 以上可有效杀伤肿瘤细胞。正常组织散热好，受热时不 广东工业大学工学硕十学位论文 易损伤。高温抑制肿瘤细胞的d n a 合成及修复，使细胞凋亡或直接死亡。加热 治疗与放疗、化疗有明显互补作用，高温对放疗不敏感的s 期肿瘤细胞损伤最大， 对乏氧细胞敏感性更高，此外，加热还可增强放疗和化疗效果。局部加热治疗是 目前热疗研究的主要方向，按照治疗时温升分类，局部热疗可分为三种 3 ： 1 ) 温热疗法( 4 2 4 6 ) ，细胞损伤可逆，一般作为辅助疗法，单独应用 效果有限。 2 ) 高温疗法( 4 6 7 0 ) ，又称热消融，对肿瘤和正常细胞都有较大杀伤， 使组织坏死和凝固，并刺激机体免疫系统，增强机体对肿瘤的免疫力。 3 ) 热切除疗法( 7 0 ) ，加热温度，可直接破坏组织，使肿瘤组织广泛凝固 或炭化，坏死肿瘤组织释放的物质进入血中，可能引起休克综合症。 目前，局部热疗方法主要集中于物理加热，主要有如下方式： 超声聚焦( h l f u ) 热疗。又称为超声消融肿瘤治疗技术，声强达数千甚 至上万w 舳2 ，温度 6 5 ，剂量控制、影像引导和准确定位。 体外大功率射频。采用伞状多针电极和单针中空冷却电极两种，常用频率 13 5 6 m h z 及倍频2 7 1 2 m h z 、4 0 6 8 m h z 等。 大功率聚焦微波治疗。采用单针电极、多针联用电极和单针中空冷却电极， 常用频率2 4 5 0 m h z 、9 1 5 m h z 、4 3 3 m h z 等。常用于浅表治疗，9 1 5 m h z 时，电磁 波幅度在穿透3 c m 后，降为肋，而在2 4 5 0 m h z 时仅能穿透l c m 。 激光介入热凝固与光动力疗法( p d t ) 。属于靶向能量治疗，将光敏剂注入 人体，使其聚集在肿瘤周围，采用合适波长的激光照射靶区进行激发 粒子植入与磁性热疗。上海交大的纳米超顺磁肿瘤栓塞热疗技术，与肝动 脉栓塞结合，有一定疗效。 其它热疗方法： 热灌注肿瘤治疗和热化疗。腹腔热灌注和热化疗已在l 临床获得明显效果。 亚高温全身热疗技术：红外线全身热疗、体外循环全身热疗、微波高功率 全身热疗。 1 1 2 肿瘤热疗新方法的提出及意义 在现行的热疗方法中：射频加温容性加热时，射频电场较发散，加热区与非 第一章绪论 加热区边界模糊，加热能力受各种因素影响，且脂肪过热严重，存在皮肤疼痛等 副作用；微波加热的电极附近区域内的所有组织都受热，不能加热较深的肿瘤， 加热区内的温度也不均匀，治疗部位常有烫伤等副作用，对用热电偶等有损测温 有干扰，操作的医务人员也需防护；超声方法由于超声波不能穿过含气空腔，且 存在骨反射、骨吸收等问题，还与射频热切除一样存在并发症的问题。虽然上述 疗法不需任何介质诱导，近年来有很多改进，对肿瘤治疗有一定疗效，但也有一 些很明显的缺点“1 ，主要难以突破外加热的框架，无法做到严格控温，更无法达 到肿瘤内部热分布均匀和与正常组织较大温差的要求，无法彻底解决加热治疗特 异性和均匀性等关键问题，因而肿瘤加热治疗目前只是辅助的治疗手段，还不能 独立和广泛的作为临床应用。 理想的加热治疗应当做到”1 ： 1 ) 加热肿瘤组织到有效治疗温度范围，并维持特定时问，使肿瘤细胞受到毁 灭性打击。 2 ) 要避免靶区外正常组织的过热损伤，扩大正常组织与肿瘤组织的温差。 3 ) 尽量减少治疗中患者的各种创伤和威胁患者生命的并发症。 当前影响肿瘤热疗效果的众多因素中，关键是控温技术，近年国内外研究肿 瘤热疗方面都在另辟新路，寻找颇具特异性的从组织内加热控温的治疗方法，如 采用交变磁场感应加热治疗肿瘤目前很有前景的研究重点之一。 1 2 交变磁场感应加热治疗方法 1 2 1 交变磁场感应加热治疗肿瘤的原理和特点 交变磁场中金属介质产生感应电流等效应而发热，发热温度与交变磁场参数 及金属物体大小、形状和结构等密切相关，根据材料参数的不同，主要产生涡流、 磁滞和磁矢量发热。 本项目研究根据现代热生物学理论，拟突破传统加热治疗观念，同时避免热 切除的一些致命的缺陷，将金属介质导入肿瘤内，应用热介质在中频交变磁场中 升温的特性，使其区域温度控制在4 5 7 0 ，该技术作用稳定、快速、安全， 广东工业大学工学硕士学位论文 有望成为治疗肿瘤的重要手段。如图1 一l 所示，植入肿瘤组织内的金属介质( 磁 流体、铁磁热籽等) ，在交变磁场下产生感应效应，有选择性对特定组织控温加热， 使肿瘤与周围正常组织有较大温差，大幅提高局部加热治疗效果，减轻治疗过程 的并发症。 图1 1 交变磁场局部加热治疗肿瘤示意图 f i g 1 - ll o c a lh y p e r t h e r m i af o r t u m o r t r e a t m e n tw i t ha cm a g n e t i c 五e l d 目前可应用的金属介质主要是磁流体和铁磁热籽，而磁材导入的方法也有多 种珏1 ，磁流体可采用直接注射热疗( d i h ) ，铁磁热籽应用间质植入热疗( i i h ) 的方法，利用定位模板和医学影像导引，经皮或微创手术植入肿瘤组织。其中磁 流体采用纳米级磁性材料，比微米级磁性材料具有更好的热效应，肿瘤组织吸收 纳米磁性微粒的能力为正常细胞的8 4 0 0 倍9 1 ，并可通过选择磁性微粒的表面 修饰材料或磁聚焦，使纳米级磁性材料进一步聚集在癌细胞中，因而磁流体被认 为是目前最有前景的磁介导热材料。 上述交变磁场感应加热治疗优点如下： 1 ) 加热快，自动控温，安全性好，基本无痛苦。 2 ) 可注射或微创植入，重复治疗，并可同其他肿瘤治疗方法联合互补应用。 3 ) 对人体健康和周围环境无不利影响”2 1 ，而采用特定区域和间隔时间的 更加安全。 第一章绪论 1 2 2 国内外研究状况 目前的研究主要是集中在治疗方法和效果方面，般交变磁场的试验装置采 用工业感应加热电源改装，只有德国有可用于临床试验装置的报道，还未见l 临床 的应用装置，对应用装置实用化研究也较少。在感应加热材料和加热装置等研究 中，其中以德国柏林洪堡医学院的j o r d a n 研究组的研究处于世界前列，已经做出 磁流体加热材料和用于人体的大型加热试验装置，并进行实验；我国的吴亚等也 制作了用于肿瘤细胞热疗实验的小型试验装置，比传统改装的高频感应电源进了 一步。 肿瘤热疗中的测控温的方法是研究的重点之一，其中对温度场的检测是一个 难点。铁磁热介质植入肿瘤组织，在中频交变磁场中加热治疗，具有使用简单、 控制方便、效果明显、不良副作用小等优点。中频交变磁场虽已成熟用于工业生 产，但仍未用于临床肿瘤热疗，还有许多影响铁磁热介质加热治疗进一步应用的 因素，其中最主要的是加热设备和感应金属介质材料，对于加热设备存在以下需 解决的关键问题： 1 用于医疗临床治疗设备要求安全和控制方面较完备的综合试验，必须先研 究和制作具有实时检测、精确控制和操作方便交变磁场感应加热治疗的试验 装置。 2 对设备的交变磁场和发热组织的温度场实时检测，应用可控的中频交变磁 场，对附有金属介质的生物组织发热进行有效控制。 交变磁场中金属粒子诱导肿瘤热疗新方法的提出，最终目标是将这种新的疗 法用于临床应用，而要达到这个目标，还需要大量的科学实验以及作为中频交变 磁场植入金属介质加温治疗的定量分析依据。因此，本课题将研究温度场实时检 测的关键问题，以期完成简单的无损测温实验，为新方法的研究提供科学数据， 争取能够早日应用于临床。 1 3 热疗中温度检测技术的现状 热疗领域的温度检测目前从根本上讲分为两种类型知，一种为有创测温或称 广东工业大学工学硕士学位论文 接触式测温，另外一种称为无创测温也称非接触式测温。当前实用中的温度检测 一般采用有创测温。有创测温得到的是测量点的状况，无创测温可以得到温度的 分布。 有创测温是指测温探头借助针头或套管置入生物体组织内，有创测温存在较 多问题：受加热的高频电磁波的影响而不能准确测定温度，甚至难以读数；传感 器的引线可能干扰电磁场分布：得到的是检测点的温度，难以测得温度分布，因 而导致非癌区一些高热点漏检，造成局部良性组织灼伤引起疼痛；也可能造成癌 区低热点漏检从而造成癌细胞残留而引起复发。高阻导线传感器和光纤温度传感 器可以避免与加热高频电磁波的相互干扰，但仍不能得到温度分布。 无创温测量方法大致有微波测量1 、核磁共振测量( m r i ) 、电阻抗法测量、 超声测量“5 川6 1 和红外热成像等几种类型。微波法的探测深度极限约为4 c m ，且 深层的分辨率明显降低；核磁共振法有很好的线性关系，且对不同组织不太敏感， 因而是一种有前途的方法，但成本太高；活组织有较高的电阻率温度系数( 约2 ) ，但电阻抗法尚需要一系列的基础研究( 包括理论依据) ，且与微波法一样， 对组织中血流的变化很敏感，甚至可能掩盖热疗中的温度变化。超声法的信息依 据通常分别基于声速的温度相关性、声衰减系数的温度相关性和超声非线性参数 b a 的温度相关性。如果能精确测得加热前后这些声学特性的变化就能实现超 声测温。 近年来，人们为开发热疗温度的无创测量方法，作了大量的努力。辐射线或 超声测温已被人们研究，但发现技术上实现相当的困难：目前使用m r i 来监视治 疗过程，但还处于研究阶段，到现在为止，研究表明，用m r i 断层影像来监视热 疗过程，原理上是可能的，但空间和温度分辨率仍然相当低，譬如，即使在实验 上，m r i 完成的监视，空洲分辨率为大约l c m ，而温度灵敏度为l 度左右；在临 床条件下，由于病人几何体的复杂性和身体不可避免的移动，预期结果会更坏。 另外，在技术上，在辐射热疗系统上集成m r j 系统，有巨大的挑战性。m r i 虽然 受限于测温，但还可以用它来监视血流灌注率、p 0 2 、p h 值等还是非常适合的。 1 4 本课文研究的主要内容 本文研究是为了配合国家自然科学基金面上项目交变磁场中金属粒子诱导 第一章绪论 肿瘤热疗新方法的研究的研究，拟解决在交变磁场中温度场的检测问题。本文 对有创和无创测温方法在温度检测方面进行了介绍，在本课题已完成的有创测温 的基础上，对红外成像测温技术做了深一步研究和一定的实验，论证了有限元法 在体内温度场构建的可行性。相关内容如下： ( 1 ) 对交变磁场肿瘤系统的工作原理和系统结构进行了介绍，对当前的无创测 温技术的发展概况进行了分析和比较。 ( 2 ) 对红外测温技术进行了介绍，分析了非制冷红外焦平面红外传感器的工作 原理。 ( 3 ) 根据非制冷红外焦平面红外传感器的特点，分析了其非均匀性的校正问题， 对红外热图像的预处理。 ( 4 ) 采用基于非制冷红外焦平面红外传感器的枪机和视频采集卡，设计了一套 运行于高速计算机的红外温度检测系统。 ( 5 ) 介绍了有限元法在温度场的应用和人体上臂p e n n e s 传热方程，研究了将有 限元法应用于交变磁场肿瘤热疗系统人体温度场重构的方法。 广东工业大学工学硕+ 学位论文 第二章交变磁场肿瘤热疗系统温度场的检测 2 1 肿瘤局部热疗机理 电磁场加热技术研究开展较早，已取得了很多应用。但是对于人体深层部位 的肿瘤，电磁场热疗的疗效并不显著，其主要原因有：( 1 ) 由于人体内部脏器组织 对电磁波的干扰，体外电磁波传输到体内深层部位时已变得较弱，不能有效地对 肿瘤加热1 ；( 2 ) 人体内各部分组织的导热系数、电导率、介电常数等物理特性 不相同，这就很难在一定深度、一定体积大小范围内达到均一的温度，且易出现 冷点。显然不能通过增加辐射剂量来提高热疗效果，因为这种方法在杀灭深层肿 瘤细胞的同时对正常组织细胞也有杀伤作用。因此，设想在肿瘤中加入产热介质 以提高肿瘤热疗效果提出了可能。 金属介质在交变磁场中会发热，主要是由于金属介质内部产生涡流( e d d y c u r r e n t ) 、磁滞( h y s t e r e s s ) 、磁矢量( m a g n e t i cv e c t o r ) 和剩余损耗等效应 而引起。一般应用中希望避免这些现象。但在工业上利用交变磁场进行热处理的 技术已相当成熟，加热可达1 0 0 0 度以上的高温，对整体和外围的温度都可进行有 效控制，这种方法也开始应用到医学等其它领域。 2 1 1 磁感应铁磁材料 金属介质内部产生感应电流称为涡流，在金属材料中形成涡流效应，经过一 定时间，便产生热量。涡流大小与交变磁场的强度，金属介质的大小、形状以及 材料本身的组成等因素密切相关，尺寸较大的金属材料，产热的能力也大大增强。 如果金属是磁性的( 如铁、镍、钴等铁磁材料) ，不仅有涡流效应，而且会产生磁 滞现象。一般情况下，长轴在毫米( m m ) 水平的磁性材料，由于电阻率相对较低， 在交变磁场中，产热主要是涡流和磁滞两种效应，并且与频率密切相关，磁体的 发热效应主要表现为产热比功率( s p e c i 矗ca b s o r p t i o nr a t e ，简称量“”。 和高频磁场直接加热相比，加入产热介质后由于产热介质吸收磁场能量显著 高于组织吸收的磁场能量，因此疗效得以提高。此外，由于健康组织中没有产热 介质，癌变组织温度升高明显快于周边健康组织，使得癌细胞被杀死的同时健康 组织可以不受伤害，这大大提高了热疗的安全性。产热介质主要有铁磁热籽和磁 第二章交变碰场肿痛热疗系统温度场的检测 性微细材料( 磁流体) 。 2 1 1 1 铁磁热籽 铁磁热籽通常是一种针状合金材料，它作为热籽介质植入肿瘤病灶部位，外 加高频交变磁场，利用金属的涡流效应使热籽迅速发热并通过热传导使其临近组 织局部升温。热籽一般指一种能在交变磁场下产热并能自动控温的合金，由非磁 性材料( 如抗磁体、顺磁体) 和磁性金属( 如铁磁体) 组成。这种合金有种特性 可以限制其最高温度，即居里点现象( c l l r i ep o i n tp h e n o m e n o n ) ，即在某一特定温 度时磁性合金材料失去磁性，成为普通的顺磁质，这一温度叫居里温度( 或居里 点) ，铁的居里点是1 0 4 0 k ，铁磁合金材料中的抗磁质成分可以使其居里点降低， 利用这一点可以控制该磁介质在组织的加温温度。一般说来，热籽埋植处组织升 温较明显，但距热籽2 3 m m 以外组织则基本无温升。为此，临床常采用多个热 籽等距排列的排针组合。该方法存在以下缺点：( 1 ) 需手术植入铁磁热籽，临床上 应用难度较大，难于重复治疗；( 2 ) 加热很不均匀，铁磁热籽处温度较高，其附 近组织温度随距离迅速降低。 2 1 1 2 磁流体 在交变磁场中使用纳米粒子的磁加热研究开始于上世纪5 0 年代后期，但当时 多数研究是用不适当的动物体系、不精确的测温法和较差的交变磁场参数进行的， 以致于任何临床推断都未达到一定水平。3 0 多年后，发现了超顺磁( 亚畴) 铁氧化 物纳米颗粒的胶体分散体系显示出异常特殊的吸收率( s a r 【w 鲴) 。在临床上可 允许的磁场参数条件下，生物兼容超顺磁纳米颗粒由于磁滞、驰豫等效应而有比 较好的加热效果。这种方法被称作磁性液体热疗法( m f h ) ，它是癌症治疗方法的 复兴，近几年来，此方法再次受到重视。其基本原理与铁磁热籽感应产热类似， 只是产热材料由体积较大的铁磁热籽换为磁性纳米粒子。将纳米级的铁氧体粒子 用葡聚糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，癌细胞和磁性纳米粒子浓缩在 一起，肿瘤部位完全被磁场封闭。这样通电加热时，肿瘤部位的温度可以达到4 7 摄氏度，慢慢杀死癌细胞。由于肿瘤附近的机体组织中不存在磁性微粒，因此这 些健康组织的温度不会升高，也不会受到伤害；同时由于磁性纳米粒子在肿瘤内部 分布比较均匀( 被肿瘤细胞吸收) ，加热疗效比较好们。铁氧体纳米粒子在治疗结 束后可以通过人体肝脏和脾脏自然排泄，精确的定向磁疗法不会对病人产生副作 用。欧洲用传统的电场加热方法进行了许多临床试验，将这些临床经验与细胞组 广东工业大学工学硕士学位论文 织热性能的大量生物学数据一起仔细考虑，磁性液体热疗法比以前的热疗方法更 占有优势。 2 2 交变磁场肿瘤热疗系统 中频磁场发生装置，主要分为感应加热电源和磁场输出部分。 2 2 1 感应加热电源 随着电力电子学及功率半导体器件的发展，电力半导体式感应加热电源拓扑 结构经过不断的完善，己形成了一种固定的a c d c a c 变换形式，电路结构基本 图2 1 工业高频磁场发生装置结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo fi n d u s t r yh i g h 觎q u e n c ym a g n e t i cg e n e r a t o r 相同，均由整流器、滤波器、逆变器及其控制和保护电路构成2 们，如图2 1 所示。 工作时，单相工频电流经整流器整流，滤波器滤波后，成为平滑直流送逆变器。 逆变器是采用电力半导体器件作为电子开关，将直流电逆变为较高频交流电供给 负载。感应加热电源在高频磁场发生装置中起励磁作用，而作为负载的磁场输出 部分一般都由线圈绕组组成。根据应州的差异，线圈的形状和材质各有不同。在 很多情况下，感应加热电源的功率不是直接提供给产生高频磁场的工作线圈，而 是中问经过高频变压器等功率变换装置再输出到负载。这种功率变换装曼起到阻 抗匹配的作用，在负载变化剧烈时可以保证感应加热电源的正常工作。 第二章交变磁场舯瘤热疗系统温度场的检测 2 2 2 磁场输出 磁路计算的出发点是在给定磁路的参数时能够计算磁路中的磁感应强度等难 以直接测量的磁学参数“”；或者预先给定磁感应强度，而后按照磁路各段的尺寸 和材料去求所需要的磁通势。恒定磁通计算涉及的磁路参数有：磁路形状、尺寸； 磁路的材质；材质的b h 曲线等。交变磁通磁路的计算还必须知道材质的功率损 耗，温度特性等参数。由于磁路中漏磁通的存在，铁芯磁化曲线的非线性，交变 磁通磁路的磁饱和、磁滞、和涡流对电流的影响，使得中高频磁场的磁路计算十 分复杂。不过，利用一些工程近似，磁路的主磁通可以按磁路的求解方法来求得。 图2 2 计算用磁芯模型 f i g 2 2m a t h e m a t i c sm o d e lo f m a g n e t i cc o r e 设一个没有分支的磁路由某种铁磁材料和空气隙构成，其横截面面积为s ，如 图2 2 ，并设线圈( 称为励磁绕组) 的匝数为n 。根据上述假设，即磁通在横截面上 的分布是均匀的，可得磁通= 矗夕，其中b 是中心线上的磁感应强度值。图中 的方向即b 的方向。设铁磁材料段磁路长度为l ，空气障段长度为而。 据安培定律：d = ( 2 1 ) 认为气隙中的磁场是均匀的，则有：4 丘= 磁魄礁+ 气坞气= m ( 2 2 ) 如果线积分是顺h 的方向沿磁路中心线构成的路径进行，中心线上各点h 的方向处 处与长度元d 1 的方向一致，这样可以把上式中的h 移到积分号的外面： 童三些蠢茎三兰堡圭耋篮黧兰 ， 点鞋+ 鸽气= 靠，疆。3 j 铁磁材料肖猡= 硒剜- u 为铁磁材料的相对磁导攀，对空气有彦= f ，代入后得： 嚷璐丢+ 嘎气毒= 删 e 2 。4 ， 按磁通连续往器理，磁潞中各截面磁通处处裙等。若铁磁材料嗣空气中截蕊褥积 相等，则肖穗瑾= 经，由此梅出：琏气= 鱼等。事实上，出予铁磁材料蕊耀对 十： 磁导率很大( 铁氧体的熟型相对磁导率为2 0 0 0 3 0 0 0 ) ，且成用中在石1 0 5 0 之 霹，嚣爨肖，寥，簸焉襻囊：壤鼍；掣 2 5 ) 或者 爆铲华 ( 2 6 ) 式( 2 5 ) 酾f 2 6 ) 避磁疆设诗懿寰器理论棱瓣。 2 2 。3 巾频交变磁场热疗实验系统 阁2 ，s 所示南赭们宛醅田酌姘刑酌+ 荆嫦勰嘶亿书h 蛐，斗慨壮审川 灞2 3 。中籁磁场发皇装露援s 。4 蛰k f i g 2 - 38 t r u c t u r eo fi n t e m l e d i a t ef 盹q u 君n c ym a g n e t i cg e n c r a t o r 1 2 第二章交变磁场肿瘤热疗系统温度场的检测 图中的整体尺寸和空隙基于人体生物医学工程考虑，可以进行较大型的动物和 人体临床试验。 利用热介质在交变磁场中升温的特性，可以使治疗组织温度范围控制在4 5 7 0 区域。如图2 3 所示，该设备由五部分组成：c 型磁芯、磁芯线圈、 磁感应加温治疗缝隙( 3 0 c m ) 、电容及冷却循环水、操作台。 该系统的技术指标： 交变磁场电源功率：2 0 k w 左右。 工作气隙：3 0 c m ； 工作环境温度：不高于摄氏4 0 度； 2 3 肿瘤局部热疗的温度检测 2 3 1 有创测温 有刨测温方法也称为侵入式测量，即把热电偶、热敏电阻之类的温度传感器 插入待测部位进行直接测量。主要方法有热敏电阻检测法、热电偶测定法和光学 温度测定法。这种测量存在几个问题： ( i ) 受加热的高频电磁波的影响而不能准确测定温度，甚至难以读数： ( 2 ) 传感器的引线可能干扰电磁场分布； ( 3 ) 得到的是检测点的温度，难以测得温度分布，因而导致非癌区一些高 热点漏检，造成局部良性组织灼伤引起疼痛； ( 4 ) 可能造成癌区低热点漏检从而造成癌细胞残留而引起复发； ( 5 ) 高阻导线传感器和光纤温度传感器可以避免与加热高频电磁波的相互 干扰，但仍不能得到温度分布。 2 3 2 无创测温 广东工业大学工学硕士学位论文 与侵入式测温技术相比，无创测温( 又称为非侵入式测温技术) 的完善与研究 为肿瘤热疗的发展带来了更多的前景吨2 “2 ，无创温度测量方法大致有微波测量 1 、核磁共振测量f m r i ) 2 、电阻抗法测量2 6 1 和超声测量2 4 1 四种类型。微波 法的探测深度极限约为4 c m ，且深层的分辨率明显降低：核磁共振法有很好的线性 关系，且对不同组织不太敏感，因而是一种有前途的方法，但成本太高；活组织有 较高的电阻率温度系数( 约2 ) ，但电阻抗法尚需要一系列的基础研究( 包括理论 依据) ，且与微波法一样，对组织中血流的变化很敏感，甚至可能掩盖热疗中的温 度变化。超声法的信息依据通常分别基于声速的温度相关性、声衰减系数的温度 相关性和超声非线性参数b a 的温度相关性。如果能精确测得加热前后这些声学 特性的变化就能实现超声测温。相比之下，使用超声测温具有如下主要优点：相对 低的成本，能实时进行数据采集和处理，有较深的人体穿透能力和较高的时空分 辨率。 2 3 3 现热疗平台的温度检测方案 目前在交变磁场发生装置的实验中，我们研制了能精准检测温度的基于热电 偶的检测装置，属于有创测温。 a 温度检测控制器b i t - 1 8 型铜康铜热电偶 图2 4 现已开发的测温控制设备 f i g 2 6d e v e l o p e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n te q u i p m e n t s 它以a r m 7 为控制显示模块，内置1 2 位a d 转换器，热电偶采用美国p h y t e m p 公司的i t - 1 8 型铜一康铜热电偶。该热电偶有很强的抗磁场干扰能力，体积较小， 第二章交变磁场肿瘤热疗系统温度场的检测 适合插入组织内部，并且温度响应时间快，其产生的电压值基本是按照4 0 2 5 u v 变化，在0 1 0 0 有很好的线性度。为了配合该热电偶的精度，系统采用了 a d 5 9 5 专用热电偶专用放大器，该放大器集成温度补偿器，无需加冷端补偿，它 还自带一个可调的增益放大器，在铜一鲸铜热电偶型中，其输出电压基本按照增 益公式= ( 易+ 1 6 们2 4 8 5 ，这样就可以获得1 0 m v 的变化量的输出电压。 后级输出配合了高精度、低漂移的仪用放大器，经1 2 位的a d 转换，可以获0 1 的精度。 本系统经过实验证明，温度检测的精度基本达到要求，而且在中高频、高强 度磁场中也能很好的工作。 有创测温毕竟是一种侵入式的测温方式，在许多场合并不能应用于临床，比 如深体内的肿瘤块、易大出血等场合。因此采用无创的温度检测手段是非常有必 要的。在第一章对现有无创测温技术状况的研究来看，超声和m r i 技术还不成熟， 红外测温技术能实用于体表温度场检测，但对深入人体体内的温度场却不能直接 测得。通过研究有限元法在应力场和热分析的广泛应用，有限元法能用于分析人 体温度场分布，而它的边界条件人体表面的温度分布，可以由红外热成像技 术获得，这些为本文的人体温度场的无创测温方案提供了理论依据和条件。 2 4 基于有限元法的人体温度场重构 2 4 1 有限元法的简介 有限元法( f e m ，f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ) 的基本概念是用较简单的问题代替 复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成， 对每一单元假定一个合适的f 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条 件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解， 因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而 有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分 析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早 “东工业大学工学硕士学位论文 在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形( 有限个直线单元) 逼近圆 来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称 为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有 效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计 算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几 乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析 方法。 2 4 2 有限元法在温度场的应用 温度场的计算是微分方程的求解问题2 7 “2 们，求解偏微分方程的两大分支是 有限差分法和变分法。变分法计算有两种方法：一种是泛函求极值的方法，一种 是加权余量法。温度场计算可以从泛函变分出发，也可用从微分方程出发的加权 余量法。无论哪种计算方法，在分析热场的时候的基本原理都是一样的，它预先 将处理的对象划分为有限个单元( 包含若干个节点) ，然后根据能量守恒原理求解 一定的边界条件和初始条件下的每一节点处的热平衡方程，由此计算出各个节点 温度，继而进一步求解出其他的相关量。 2 4 2 1 有限元法在温度场分析的热参数 在温度场的分析当中，一般需要给出这个实体的材料属性，与热分析直接相 关的属性包括有：热传导率( t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ) 、比热容( s p e c i n ch e a t ) 、焓 ( e m h a l p y ) 、生热率( h e a tg e n e m t i o nr a t e ) 等。 1 ) 热传导率( t h e 肌a lc o n d u c t i v i t y ) ：顾名思义，即对热量传递的速率描述， 单位为矽i 耐c 。 2 ) 比热容( s p e c i f i ch e a t ) ：比热容是指单位质量的物资每升高( 或降低) 1 所吸收( 或放出) 的热量，单位为j ( k g ) 。 3 ) 焓( e n t h a l p y ) ：焓的定义为：忙册尸巧其中h 为焓，u 为内能，p 、v 为压力和温度。对于常压，上式可改为：步坍尸n 说明了常压下，焓的变 化即为热量的变化。 4 ) 生热率既可用材林属性赋予材料，又可用作体载荷施加到单元上，用以模 第二章交变磁场肿瘤热疗系统温度场的检测 拟化学反应生热或电流生热，其单位是单位体积的热流率。 2 4 2 2 热传导方程和热边界条件 1 热传导方程：热量通过固体传递的方式称为传导，载传导过程中，结构内 每一个点都有一个温度值，它们构成具有物体形状的温度场，场变量就是温度t 。 温度可以是随着时间变化的，称为瞬态温度场，这时产八点) 或声，( z # ) ，而与时间无关的则称为稳态温度场，此时严以z f ) 或严及石z ) 。 热传导规律可用热传导方程描述。通过对热传导方程的求解，就可以求得每 一个节点的温度值，从而构建出物体的温度场。 2 热边界条件：需解出传导方程，没有特解是求不出的，所以这时需给出物 体的热边界条件。热传导是由于结构边界与外部互相作用的结果，互相作用的规 律称为热边界条件，主要有以下三种： 1 ) 温度边界条件 又称为第一类边界条件，它规定了物体边界温度的绝对大小，即并= 石力， 式中耳为边界温度；石“力为已知的温度函数。 2 ) 热流边界条件 又称为第二类边界条件，它规定物体边界热流密度为已知，即z ( 警) ，= 吼， 口疗 式中一为边界外法线方向，即热流方向；砌为已知的热流密度。 3 ) 换热边界条件 又称为第二类边界条件，它描述边界与周围介质之间的换热大小，即 ( 娑) ，+ 口( 一乃) = o ，式中a 为换热系数，乃为周围介质温度。 2 4 3 基于有限于法的人体温度场测温方案 若采用有限元法对人体温度场分析，必须有分析软件、热传导方程、热边界 条件这三个最基本的条件。 本文采用a n s ”有限元分析软件建立人体组织器官的物理模型，利用p e n n e s 生物热传导方程( 包括各种热参数) 对组织内部进行温度场分析，在逆问题求解 广东工业大学工学硕士学位论文 过程中，利用红外热成像测温系统得到的体表温度数据来进行热分析，进行迭代 计算，最后得到拟合的温度场分布状况。 第三章红外温度检测技术 第三章红外温度检测技术 3 1 红外测温技术的机理 1 6 7 2 年，人们发现太阳光( 白光) 是由各种颜色的光复合而成，同时，牛顿 做出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光( 白 光) 分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。1 8 0 0 年，英国物理学家 fw - 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。红外线是一种电磁 波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一 次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。 红外线的波长在0 7 6 1 0 0um 之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、 远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光 之间的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于 任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射 出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量 愈小。 温度在绝对零度以上的