（生物医学工程专业论文）水冷却天线微波消融温度场的实验研究与数值分析.pdf

北京工业大学工学博士学位论文 曼罡曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼罡曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓舅曼曼! 曼兰曼鼍蔓曼曼曼曼曼! 曼曼曼! ! 曼曼! ! 曼皇皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼舅曼量曼曼曼皇曼舅in t o 曼蔓皇曼 方程；然后将求解出的温度场与离体猪肝实验结果作比较，可以确定微波天线比 吸收率的正确性。同时获得了不同作用时间、不同冷却水流速下的热凝固区的形 状、大小和变化规律。研究发现消融区的形状呈梨形。由于冷却水的影响，在 z 0 范围内的凝固区小。在z 0 方向。 ( 3 ) 从实验研究角度提出分支血管对于5 4 。c 凝固区的影响。体模实验结果 显示，当微波天线位于分支血管附近时，微波消融域没有关于天线对称，且此消 融域在靠近血管一侧出现了较大的温度梯度。血流量越大，就会带走越多的热量， 致使在血管周围的组织达不到有效治疗的温度( 5 4 ) ，得到的微波消融域略有 减小。当天线远离血管时，微波消融域的形状开始逐渐变圆，关于微波天线对称， 并且在两个不同流量下的温度等值线几乎重合。当血管与微波天线的距离超过 2 0 m m 时，我们可以忽略血管对温度场的影响。以上结果说明分支血管和微波天 线之间的距离会明显地影响消融范围，而血管内的不同血液流量对于消融域的影 响不大。 ( 4 ) 用有限元法模拟单根和分支血管对于消融温度场的影响。基于生物传 热方程，建立基于大血管对流效应的生物传热模型，其中有单根血管的近似方法 和分支血管的流场热场耦合模拟计算。探索了在单根血管、分支血管的影响下 微波热场分布的规律，为微波热消融疗法在临床应用中血管的处理方法提供了一 些参考值。在临床治疗中，医生可以根据肿瘤的位置、血液的流量和微波天线与 血管之间的距离、方向等来决定是否阻断血管以获得一个更好的治疗目标。 关键词：微波消融水冷天线温度场s a r 有限元方法 a b s t r a c t a bs t r a c t t h e r m a la b l a t i o nt h e r a p ym e a n st oh e a tt h el o c a lt i s s u eu pt ot h ec o a g u l a t i n g t e m p e r a t u r e ( c o m m o n l yh e a t i n gt o6 0 。ci n s t a n t a n e o u s l yo rk e e p i n g5 4 cf o ro n e m i n u t e ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e r c u t a n e o u sm i c r o w a v e ，r a d i of r e q u e n c ya n d u l t r a s o u n d ，t h e r m a la b l a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nc l i n i c a lt r e a t m e n to fc a n c e ri n r e c e n ty e a r s ，a n dh a sb e e no n eo ft h et h e r a p e u t i cm e t h o d st oc u r em a l i g n a n tt u m o r t h ec o m m o ng r o u n do ft h e s em e t h o d si st oh e a tt h el o c a lt i s s u eu pi no r d e rt od e s t r o y t h et u m o rc o m p l e t e l y s i n c eh y p e r t h e r m i ab r i n g st h ep a t i e n ts m a l li n j u r ya n dh i 曲c u r a t i v ee f f e c t ，w h e n i ti su s e d 诵t ho t h e rt h e r a p e u t i cm e t h o d ss y n c h r o n o u s l y ，h y p e r t h e r m i aw i l li n c r e a s e t h ec u r a t i v ee f f e c to fo t h e r sg r e a t l y h y p e r t h e r m i ah a sb e e naw i d e l ya p p l i c a b l e m e t h o dt ot r e a tc a n c e ra n di sc a l l e dg r e e nt h e r a p e u t i c s t h ep r i m a r yo b j e c tf o ra n yh y p e r t h e r m i at r e a t m e n ts y s t e mi st or a i s et h e t e m p e r a t u r ei nt h et u m o rv o l u m eu n t i lat h e r a p e u t i ct e m p e r a t u r e ，w h i l el i m i t i n gt h e t e m p e r a t u r er i s ei nt h en o r m a lt i s s u et op r e v e n tp a i na n dd a m a g e t oe l i m i n a t i n gt h e t u m o ri n s i t u a to n es t r o k e ，m e t h o d sf o re s t i m a t i n gt h ee n t i r et e m p e r a t u r ef i e l da r e n e e d e d f o rt h i sp u r p o s e ，t h ea c c u r a t ei n d i c a t i o no ft e m p e r a t u r ei nc a n c e rt i s s u e d u r i n gt h ep r o c e s so fh y p e r t h e r m i ai sv e r yi m p o r t a n t t e m p e r a t u r er e s p o n s eo fb i o - t i s s u ew h e nm i c r o w a v ew a si n t r o d u c e di n t ot h e a b l a t i o nw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t e m p e r a t u r ef i e l d so faw a t e r - c o o l e dm i c r o w a v e a n t e n n aw e r ep e r f o r m e di nd i f f e r e n tc o o l i n gw a t e rv e l o c i t ya n dt h eb l o o dv e s s e le f f e c t c o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o dw a sp r e s e n t e df o rt h ep r e d i c t i n gt h et e m p e r a t u r ef o r b e i n gu s e f u li nc l i n i ct oc u r et h et u m o r e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dn u m e r i c a la n a l y s i sw e r ep e r f o r m e dt oe x p l o r e b i o - h e a tt r a n s f e ri nh e a t i n gp e r i o da n dt h ee f f e c to fb l o o dv e s s e lo nt e m p e r a t u r ef i l e d i tc a nb ed i v i d e da sf o l l o w i n g ( 1 ) a ne x p e r i m e n t a lm e t h o dw a su s e dt od e t e r m i n et h es a rd i s t r i b u t i o ni na - 北京工业大学工学博士学位论文 l i v e re q u i v a l e n tm i c r o w a v ep h a n t o m ，w h i c hw a st h ef o u n d a t i o no fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n f o rc o n v e n i e n c eo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e m 谢t l lt h e r m o c o u p l e s ，t h e m i c r o w a v ep h a n t o mw a su s e di n s t e a do fl i v e rt i s s u e i np h a n t o m ，t h e r ew e r en o m e t a b o l i s ma n db l o o dp e r f u s i o n ；i tw a sa s s u m e dt h a tt h ec o n d u c t i v eh e a tt i a n s f e ri n t h ep h a n t o mw a sn e g l i g i b l ea tt h ei n i t i a lp h a s e so fh e a t i n gu p ，w h i c hr e f l e c t e dt h e a b i l i t yo fm i c r o w a v ee n e r g yo fg e n e r a t o r a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t e m p e r a t u r ev a l u e sa n dh e a t i n gt i m e ，s a rd i s t r i b u t i o nw a sd e r i v e da n da n a l y t i c a l l y f i t t e d ，w h i c hc a nb ea p p l i c a b l ef o rc o m p u t e rs i m u l a t i o na n ds u r g i c a lp l a n n i n g ( 2 ) m i c r o w a v ea b l a t i o ne x p e r i m e n t si ne x - v i v op o r c i n el i v e rt e s t i f i e dt h ev a l i d i t y o fs a rd i s t r i b u t i o n f i r s t l y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a su s e dt os o l v et h ep e n n e s b i o h e a tt r a i l s f e re q u a t i o nf o rn om e t a b o l i s ma n db l o o dp e r f u s i o n ；t h e n ，t h en u m e r i c a l r e s u l t sw e r ec o m p a r e d 、航t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rc o n f m n i n gt h es a p , d i s t r i b u t i o n w h i l ea b l a t i o na r e aa n ds h a p ew e r eg o tu n d e rt h ed i f f e r e n tc o o l i n gw a t e r v e l o c i t ya n dh e a t i n gt i m e i tw a sf o u n dt h a tt h es h a p eo ft h eh e a t i n gp a t t e r nw a s p e a r - l i k e b e c a u s eo fs t r o n gc o o l i n ge f f e c t ，t h ea b l a t i o na r e ai nt h er e g i o nw i t l lz 0 ，a n dt h ea b l a t i o na r e a 谢t h z o ( 3 ) b i f u r c a t i o nb l o o dv e s s e lh a sg r e a te f f e c to nt h e5 4 ca b l a t i o na r e a t h e p h a n t o me x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e d ：w h e nt h em i c r o w a v ea n t e n n an e a r e dt h ev e s s e l ， t h eh e a t i n gp a t t e mw a sn o ts y m m e t r i c a la b o u tt h ea n t e n n a , a n dl a r g et e m p e r a t u r e g r a d i e n te x i s t e dn e a rt h eb l o o dv e s s e l m e a n w h i l e ，t h eh i g h e rw a st h eb l o o dv e l o c i t y , t h em o r eh e a te n e r g yw a st a k e n ，a n dt h el i t t l es m a l l e rw a st h eh e a t i n gp a t t e r n ，w h e r e t i s s u ec o u l dn o tr e a c ht h et h e r a p e u t i ct e m p e r a t u r es u r r o u n d i n gt h eb l o o dv e s s e l w h e n t h ea n t e n n aw a sf a ra w a yf r o mt h eb l o o dv e s s e l ，i tw a ss e e nt h a tt h eh e a t i n gp a t t e m w a sm o r ec i r c u l a ra n ds y m m e t r i c a l ，a n dt h et e m p e r a t u r ec o n t o u r s 谢mt w of l o wr a t e s a b s t r a c t w e r ea l m o s to v e r l a p p e d w h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e na n t e n n aa n db i f u r c a t i o nb l o o d v e s s e lw a se x c e e d2 0 r a m ，t h ee f f e c to fb l o o dv e s s e lo na b l a t i o na r e ac a nb ei g n o r e d t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ev e s s e la n dt h ea n t e n n ac a i l s i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ea b l a t i o na r e a , w h i l ee f f e c to ft h eb l o o df l o wr a t eo nh e a t i n g p a a e mi sv e r yl i t t l e ( 4 ) f i n i t ee l e m e n tm e t h o dn u m e r i c a la n a l y s i ss t u d i e dt h ee f f e c to ft h es i n g l e b l o o dv e s s e la n db i f u r c a t i o nb l o o dv e s s e lo nt h ea b l m i o nt e m p e r a t u r ef i e l d t h e m o d e l sw e r es e tb a s e d o nt h eb i o h e a tt r a n s f e re q u a t i o n ，i n c l u d i n gt h ea p p r o x i m a t e m e t h o dt os i m u l a t ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ri nas i n g l eb l o o dv e s s e la n dc o u p l e df l u i d f l o wa n dh e a tt r a n s f e rt os i m u l a t ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ri nab i f u r c a t i o nb l o o d v e s s e l t h et e m p e r a t u r ef i e l d sw e r eo b t a i n e du n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c hc a n p r o v i d et h er e f e r e n c ev a l u e si nc l i n i c a lf o rd e a l i n gw i mt h eb l o o dv e s s e l d o c t o rw i l l d e t e r m i n ew h e t h e ro c c l u d i n gt h eb l o o dv e s s e lo rn o tb yt h et u m o rl o c a t i o n ，b l o o d f l o wr a t e ，t h ed i s t a n c eo ft h em i c r o w a v ea n t e n n aa n do b t m nt h eb e a e rc u r a t i v ee f f e c t k e y w o r d s ：m i c r o w a v ea b l m i o n ，w a t e r - c o o l e da n t e n n a , t e m p e r a t u r ef i e l d ，s a r ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d - v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盗盛一嗍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 第l 章绪论 1 1 微波热疗 1 1 1 热疗的历史与现状 第1 章绪论 热疗治疗肿剧1 1 ，国外具体记载在公元前1 8 0 0 年古埃及的e d w i n gs m i t h 外 科纸莎草【2 】中。古希腊名医h i p p o c r a t e s 希波克拉底( 公元前4 6 旺3 7 0 ) 被西方称作 “医学之父”，他曾用加热治疗过肿瘤，其有句格言：“药物不能治愈的可用手术 治，手术不可能治的可用热疗治，热疗不能治的就确实无法治了【3 】，。在这个阶 段热疗治疗的肿瘤与我国古代中医相同，对肿瘤的确认没有组织细胞学的病理诊 断。热疗治疗肿瘤的概念是对肿瘤组织局部加热，所治疗的肿瘤大部分是体表肉 眼能见至0 的肿瘤。 1 7 世纪初，显微镜发明之后，人们建立了癌的基本概念，并对它进行组织 细胞学的诊断，此后热疗治疗肿瘤有了明确的组织细胞学的病理诊断。1 8 9 3 年 c o l e y 给患者注射化脓性链球菌和绿脓杆菌混合提取物( 称c o l e y 毒素) ，使患者 发热3 8 0 至4 0 2 ，治疗恶性肿瘤。诊断晚期恶性肿瘤3 8 例，意外的或实验 性的感染丹毒而高热，其中肿瘤完全消退1 2 例，好转1 9 例。以后人们多次报道 了用热水灌注等局部加温方法治疗肿瘤。在这个时期，国外热疗治疗肿瘤的概念 除了对肿瘤组织局部加热外，还包括注射c o l e y 毒素使患者发热。所治疗的肿瘤 包括体表体内所有恶性肿瘤。2 0 世纪7 0 年代以后有学者研究认为，加温时肿瘤 较正常组织受热高。这是因为正常组织具有较大的血流量，受热后血管扩张，血 流量增加，将热带走，而肿瘤内血流相对贫乏，肿瘤血管对热不起反应，血流变 化小而成为一个储热器【4 】，确定了加温治疗肿瘤的合理性。1 9 7 7 年d e w a y 等人 的细胞动物学实验发现，组织受热4 1 至4 5 。c 为有效治疗肿瘤的温度范围。这 一结论在临床肿瘤热疗中得到证实，并成为临床肿瘤治疗时的一项基本生物学量 化依据。8 0 年代人们发现，热对细胞反复作用产生热耐受，它影响着肿瘤细胞 对再次加热的敏感性。热耐受现象与热休克蛋i 兰t ( h s p ) 密切相关。人们还对热疗 与放疗、化疗的结合、热疗与免疫、细胞凋亡等进行了大量的研究。2 0 世纪七 十年代，由于多学科的介入与配合，特别是热物理学、热生物学的不断深入研究， 取得了一些前所未有的明显效果，并逐渐形成了自己的学科体系现代肿瘤热 疗学。 北京工业大学工学博士学位论文 国际上真正科学地把热疗用于治疗肿瘤是从1 9 7 5 年开始的【5 1 。第一次国际 肿瘤热疗专题学术讨论会同年在华盛顿召开，至今已先后举行了2 6 界国际会议。 广泛涉及到分子热生物学、细胞热生物学、血管热生物学、热剂量测量法、加热 技术和测温技术及临床应用等研究。 肿瘤热疗是用加热方式治疗肿瘤的一种方法，即利用有关物理能量在组织中 沉淀而产生热效应，使肿瘤组织温度上升到有效治疗温度，并维持一段时间，以 杀死癌细胞，又不损伤正常细胞的一种治疗方法。热疗能够有效地杀伤恶性肿瘤 细胞，提高病人的生存质量，延长病人的生命，而且与放疗、化疗产生互补的作 用，增加患者对放疗和化疗的敏感性，同时又减轻放疗和化疗的副作用，因而被 国际医药界称之为“绿色疗法 ，日本专家称之为“医疗春天到来的标志 【6 刁】。 我国虽然起步较晚，但发展很快，目前不少高等院校和研究单位都在从事这 方面的研究。许多医院在进行临床试验，北京地区几家大型医院如解放军总院、 空军总院、医科院肿瘤医院、中日友好医院等都有成功的应用。各种热疗设备的 研制也非常迅速，如各种微波手术治疗仪、高能超声肿瘤治疗仪等，并已在临床 上取得良好的应用。 1 1 2 热疗的生物学基础及方法 目前热疗大致采用两个工作温度区域：4 1 4 5 c 和6 0 以上。前者是基于超 过癌细胞耐热极限致伤，通常称之为温热疗法；后者是基于蛋白热凝固致死，称 为热消融法。实验证明，癌细胞对热的耐受性远不如正常细胞。高温导致癌细胞 死亡的基本原理大致如下： ( 1 ) 高温对肿瘤细胞有选择性破坏作用。不少肿瘤内的血流，仅为周围正 常组织的2 1 5 ，例如鼠肝癌的血流量仅为正常肝血流量的5 t 引。肿瘤组织的 血流大大少于正常组织，这就是高温能选择性破坏肿瘤的基础。正常组织受热时， 有效的血循环把热带走，血流起到散热作用。而肿瘤组织的有效血循环差，血流 缓慢、散热困难，同样温热条件下肿瘤部位温度高出周围正常组织5 - 9 5 c ，易 受到热损伤。 ( 2 ) 高温对细胞核的破坏。当肿瘤细胞较长时间处于4 1 以上的高温时， 细胞核和染色质凝成团块，蛋白质凝固，细胞吸氧量减少，核糖核酸和脱氧核糖 核酸的合成受到抑制，进一步使d n a 和蛋白质合成障碍，导致细胞死亡。 ( 3 ) 高温对细胞的损伤。热使肿瘤细胞胞浆的溶酶体活性增高，并产生新 的溶酶体。细胞浆的这种改变选择性地发生在肿瘤细胞，导致肿瘤细胞不可逆的 第1 章绪论 破坏。另外，温热可使细胞质膜的液晶相发生改变，引起膜的流动性和通透性改 变，同时还可导致附着在膜上的蛋白质，特别是酶系统活性降低、失活或膜蛋白 脱落异位。肿瘤细胞膜的胆固醇含量较正常细胞低，膜流动性较强，因而更易受 到温热的影响，当温度达到4 3 以上时更可导致细胞内的蛋白质( 包括膜蛋白) 变性。 ( 4 ) 高温直接使蛋白质凝固。这是利用在高于6 0 的温度下蛋白质即刻变 性并凝固的机理，彻底地杀灭癌细胞。另外高温对提高肌体免疫力也有帮助，有 报道称高温灭活后肿瘤细胞的分解产物能刺激免疫系统，从而抑制癌细胞的再生 长。 肿瘤热疗过程可视为组织吸收外加能量，使之转化为热能而升温的物理现 象。加热过程中温度上升不仅与组织的各项物理特性( 如介电常数、电导率等电 特性和比热、导热率等热特性) 有关，还与热量在组织中的传导等物理过程有关。 另外，人体不仅外形复杂，内部结构、特性也各不相同，因此看似简单的加温过 程在实际临床中却有各种情况发生。所以，通过生物组织热场分布的计算和优化 研究，就可以在肿瘤热疗中获得较好的临床加温效果。 热疗分为全身热疗和局部热疗两类： 1 全身热疗 通过人为提高体温，运用热作用及继发效应选择性杀死肿瘤细胞，控制细胞 广泛转移，特点是不仅病灶处温度升高而且全身温度都升高到一定的同一温度 t 9 】。利用实体肿瘤的微血管及血流特点，全身加温时瘤体产生热积聚，温度高于 周围组织，破坏瘤体的微环境以及损害瘤细胞细胞膜、抑制d n a 、r n a 等而直 接杀灭肿瘤细胞。与化疗联合应用破坏瘤细胞细胞膜稳定性后，增强其通透性， 使药物更容易进入癌细胞并保持较高浓度。实体瘤中心部分乏氧癌细胞对放射线 不敏感，但对热疗敏感；热疗可增加瘤体内氧分压，提高肿瘤细胞对放射线的敏 感性；放疗则减少肿瘤细胞的热耐受性，提高热疗效果。目前医学上全身热疗方 式主要有红外线直接辐射和体外循环加热等两种方式，全身热浴( 水、蜡、空气 等) 由于其副作用大、治疗费用高等问题已经渐渐被淘汰。 2 局部热疗 ( 1 ) 超声热疗热效应和空化效应是其主要机制。肿瘤坏死的临界温度为 5 4 6 0 ，高能聚焦超声治疗是通过b 超诊断系统寻找到瘤体后，将瘤体移至辐 射区焦点，发射超声波在焦点处形成强声场，使该处组织升温达到肿瘤坏死温度， 从而杀死肿瘤。另外高能聚焦超声治疗后可见瘤体组织内出现空洞，镜下见组织 北京工业大学工学博士学位论文 内有“空泡”存在，这种空泡就是空化效应，空化使组织内产生的气泡强烈膨胀、 萎陷进而使组织结构产生机械破坏【l o 】。高能聚焦超声治疗适用于人体腹腔、盆腔 内用超声可观察到全貌的实体肿瘤，是一种安全有效的局部治疗新方澍1 1 】。 ( 2 ) 射频热疗射频加热器是一工作频率为5 0 k h z 的单极向射频发生器， 它不仅能产生、发射较高功率的射频，而且能根据反馈回来的温度数据监控其能 量输出，从而保证在射频场有效作用区域内的被加热组织平稳均匀地升温，并稳 定地保持在设定的温度上。由于射频选择性地加温，使瘤细胞更加缺血、缺氧、 过酸、溶酶体增多、溶酶体酶活性增高，从而加强对瘤细胞的破坏作用。同时， 高温抑制瘤细胞的呼吸，增强乏氧糖酵解，促使乳酸进一步增多，p h 低，d n a 、 r n a 合成抑制，d n a 变质，使溶酶体活性增加，从而使瘤细胞破坏。最广泛的 局部消融术的研究可能是射频治疗( r f ) u 引。 ( 3 ) 微波热疗微波是指频率从3 0 0 m h z 到3 0 0 g h z 范围内的电磁波，在 2 0 世纪3 0 年代，医务工作者发现了微波的生物效应。微波热疗是以微波为产热 源，通过特殊加热装置的传导并利用人体内的血液循环，使瘤内温度达到4 2 5 或6 0 。c 以上，以达到使肿瘤缩小或消除，又不损伤正常组织的一种新型的治疗 方法。国内的肿瘤专家们成功地把微波热疗与化疗两者结合起来，应用热化疗来 治疗胃癌、肺癌、肝癌、膀胱癌、大肠癌、食管癌、乳腺癌、骨肿瘤及头颈部肿 瘤等，均己收到满意的疗效【1 3 出】。与射频治疗相比，微波热疗技术被认为是一种 非常有前途的治疗方法。因为在组织中微波能量的分布以2 次方的规律在衰减， 相比之下射频治疗却以4 次方的规律在衰减，这样微波就能获得更大的治疗范围 1 5 - 1 6 o ( 4 ) 内生场肿瘤热疗内生场肿瘤热疗采用独特的内生场原理，解决了射 频引起的脂肪过热和深部组织治疗温度不够的问题，并且具备射频功能，大功率 的输出( 2 0 0 0 w ) ，短时间内可迅速达到治疗温度，采用热电偶测温系统，测温精 度高，宽阔的治疗空间，安全舒适，便于各种体型的患者接受治疗，摆位灵活无 死角。适用于人体胸腔、腹腔、盆腔等部位表浅及深部的原发、复发的恶性实体 肿瘤或转移肿瘤。 1 1 3 微波热疗 微波与无线电波、红外线等同属于电磁波，但是它们的频率不同。微波是频 率为3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 的电磁波，即波长在1 米( 不含1 米) 到1 毫米之间的电磁波， 它不能使最弱的氢键断裂，也不能产生电离作用，因而属于非电离辐射。微波辐 第l 章绪论 射的透入深度与频率成反比，与波长成正比。频率高，波长短，其辐射的方向性 好，能量易于集中，但透入深度小；反之，则方向性差，能量不易集中，透入深 度大。目前，世界上较多国家采用的微波加热专用波段为9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 。 微波电磁场与生物组织的相互作用，只有当微波进入生物体时才会发生作 用。由于电磁波的特性和生物体的复杂性，生物体在微波作用下，体内的场分布 以及吸收的微波能量情况取决于很多因素，诸如微波的频率、极化、生物体的尺 寸、形状等等。根据微波引起生物效应的原因，可以将微波的生物效应分为热效 应和非热效应两类。 非致热效应目前在机制上还未得到较完整的理论解释，较多学者提出的解释 是：生物体细胞的共振吸收效应、场力效应和半导体效应；生物体中骨胶质和无 机磷灰石具有压电效应；生物体中一些类脂和蛋白质及胆固醇具有超导性，致使 生物信号传输可能以微波电流形式传递等。 对于肿瘤的微波热疗而言，利用的就是微波的生物热效应。微波的热效应指 的是进入生物系统的微波能量转化为热能，由于热能的累积和传递引起的生物响 应。微波对生物组织加热的机制有两种： ( 1 ) 离子加热：在生物组织的细胞内，外液体中含有大量的带电粒子，如 钾离子、钠离子和氯离子等这些带电粒子在交变电场的作用下产生振动，它们与 其周围的其他离子或分子发生碰撞而生热。 ( 2 ) 偶极子加热：在生物组织中存在着大量的水分和蛋白质分子等极性分 子。它们是由于原子排列引起的正、负电荷的“重心 不重合而构成的电偶极子。 这些极性分子处在交变的微波场作用下时，它们的极性指向便与电场一致，极性 分子在转动的过程中与其临近的分子摩擦碰撞便产生热量【1 7 】。 近十年来，随着微波技术，特别是植入式微波技术、射频技术及高能聚焦超 声技术的发展，高温原位灭活肿瘤的治疗技术发展迅速，已成为一种临床实用的 肿瘤治疗手段。微波对生物组织加热是内源性加热，它具有热效率高、升温速度 快、高温热场较均匀、凝固区内坏死彻底等突出优点。此外初步的研究表明，微 波凝固治疗肝癌，在主灶被原位灭活之后，患者外周血及肝治疗区细胞免疫功能 得到明显增强【1 8 。1 9 1 ，这也许是微波治疗取得良好远期疗效的重要原因之一。因此， 作为一种有效的肿瘤辅助治疗方法，微波热疗近年来受到了日益广泛的重视，已 成为临床现实。尤其是针对肝癌的治疗，在我国的研究工作是卓有成效的。目前 在我国有几家医院已经在临床上应用微波热疗技术为患者治疗，如中国人民解放 军总医院、医学院肿瘤医院等。 北京工业大学工学博士学位论文 然而肿瘤热疗中最困难的关键问题是控制有效热区分布，使之能完全覆盖肿 瘤组织靶区( 达有效治疗高温区4 3 或6 0 c ) ，同时要避免其周围正常组织受到 过热损伤。为此，在选择加热物理参数( 如辐射器功率、电极位置尺寸和电压相 位等) 和制定临床热疗方案之前，应进行人体内温度场分布预测。但生物体内温 度场无损检测仍是生物医学热物理研究和临床应用中尚未解决的难题及关键技 术。目前认为，采用计算机数值仿真方法进行生物体温度场无损重构是最有应用 前景的途径2 0 。2 1 1 。 同时如何有效扩大凝固范围也成为热疗疗效的关键，为此众多研究在消融器 上大做文章，其中射频消融治疗相继推出了中心水冷电极、多叉电极及注水电极 等，激光消融治疗也推出了带水冷却式光纤，均在不同程度上扩大了有效凝固范 围。微波天线的改进也有一定的发展，1 9 9 4 年，日本学者s e k i 等首先报道了超声 引导经皮穿刺m a 治疗小肝癌获得成功【2 2 】，其所用天线外径为1 6 m m ，尖端裸露 1 0 m m 作为辐射端，最大消融直径1 7 c m 。1 9 9 6 年董宝玮等经反复研究【2 3 】，通过 改变辐射天线芯线的材料和裸露长度( 外径1 7 m m ，裸露长度2 7 e m ) ，首次实 现单根天线消融直径大于3 c m ，并进行了微波热场的研究，梁萍等将此项研究用 于原发性肝癌及肝转移癌的治疗 2 4 彩】，取得了较好的疗效，原发性肝癌1 、3 、5 年生存率分别为9 3 ，6 3 ，5 1 ，继发性肝癌1 、3 、5 年生存率分别为9 1 4 ， 4 6 4 ，2 9 。2 0 0 4 年s a r a h 报道了环形天线微波消融在体猪肝的实验研究【2 倒，所 用治疗针由1 3 g 引导针及2 4 g 环形天线组成，环形天线展开直径2 7 c m ，为单根治 疗针消融直径为3 4 c m 。然而美中不足的是，上述微波天线采用裸露芯线发射， 在临床运用中存在杆温偏高及植入天线需要穿刺引导针引导，给临床应用带来不 便。随着材料学及制造工艺的发展，内冷却微波天线应运而生，目前采用的冷却 方式有水冷和气冷【27 1 。这一技术的改进，必将进一步提高微波疗效、扩大微波的 临床应用范围。 总之，微波凝固治疗肝癌虽然取得了较好的临床疗效，但尚需深入研究以下 问题 2 s 】；改进微波仪和微波电极，进一步扩大微波凝固区的范围并增强适形调 控能力：同时，简化微波治疗仪的操作程序，实现数字化、自动化温控调节。 应用三维超声成像显示肿块三维特征并指导治疗，可望提高一次原位灭活的效 果。发展非损伤性的能直观显示温度的监测方法。谐波成像技术和新型造影 剂的发展，对于识别肿瘤坏死区和非坏死区将有重大价值，对现场指导微波治疗 肝癌、推进介入治疗的发展将会发挥重大作用。局部微波热凝固治疗引起细胞 免疫反应的机制和规律性尚须深入探索，以提高治愈率和远期疗效。肝癌治疗 第l 章绪论 后的高复发率问题始终是影响其远期疗效的重要原因之一，探讨微波治疗后转移 复发的规律，对提高远期疗效是十分必要的。开展超声引导微波治疗肝癌循证 医学研究，通过前瞻性、较大样本的临床研究，客观评价其在临床治疗中的价值。 1 2 温度场研究的意义 介入式肝癌微波热消融治疗的方法是利用不同的微波天线( 直形无水冷天 线、直形水冷天线) 在超声引导下植入病变部位，使其周围的组织产生高温来杀 灭癌细胞。为了能将癌细胞全部杀死( 温度达到5 4 以上，许多研究人员认为 当温度达到5 4 c 并持续1 分钟或温度达到6 0 c 时，癌细胞能够被完全杀死【2 9 - 3 0 1 ) ， 以实现理想的治疗效果，介入式肝癌微波热消融治疗的技术关键就在于确保肿瘤 内各处的温度都能达到组织的凝固温度( 即微波天线产生的5 4 凝固范围能覆 盖病变部位) 。而微波天线的形式是决定凝固范围的因素之一，我们所采用的微 波天线为直形水冷却天线。与普通的微波天线相比，水冷却天线能够降低最高温 度值，从而减少天线附近组织的炭化，而这些炭化物严重地影响了此区域组织的 热传导，从而减小了消融范围。然而，有内冷却微波天线热场的分布规律等基础 研究，目前鲜见报道。所以，通过对水冷却微波天线温度场的研究与预测，可以 为临床治疗手术规划提供决策依据，获得最佳的手术规划、监控治疗过程中的温 度以及术后对疗效的评估。 在微波热疗中最关键的是保证热场与肿瘤组织的“适形”配合，然而各种相 关的研究都已表明，肿瘤组织通常在血管附近生长较为茂盛，在加热过程中，血 管中血液的流动会带走一部分热量，影响了温度场的分布，血管周围临近组织可 能会出现温度过冷区，位于过冷区的组织未能凝固，就会有癌细胞残存，不能实 现一次灭活，临床上一般实施大血管阻断术以避免大血管的影响【3 1 1 。进一步探索 血液流动状况，尤其是临近大血管时考虑其对流放热效应对治疗效果的影响成为 临床面临的一个严峻的课题p 2 j 。 血管传热是近年来生物热医学工程中研究的焦点，已经确知的是，微观组织 的精细结构和血流的分布情况要对血液和组织间以及体表附近组织与外界环境 间的热交换产生重要的影响，所以，组织和血液间的相互热作用在各种热疗应用 问题中一直是研究的核心。 理论、实验和临床都已证实在热疗过程中大血管对加热组织具有局部冷却作 用，大血管被称为具有热重要性的血管( t h e r m a l l ys i g n i f i c a n tv e s s e l s ) ，它会产生 北京工业大学工学博上学位论文 局部温度梯度，温度梯度范围主要依赖于血管的直径和通过血管的血流速度 ( c h a t o1 9 8 0 ) 3 3 - 3 6 。由于微观组织的复杂性，要建立一个与血管数密度、尺寸、 血流速度、方向相关联的生物传热模型极其困难，因此只能在特定的血管形态下 进行传热的研究，没有一个实用有效的关于血管的数学模型可以用在任何场合。 从几何位置和尺寸上看，有单根血管半径大小对热影响的研究，有动静脉血管相 对位置( 互成角度、间距等) ，相对管径大小以及距离表皮的远近对传热的影响 的研究等。从表现形式上看，有单根血管、双根对流血管、分支血管、弯曲血管 箜 3 7 - 4 2 jo 在人体复杂的血管网络中，分支血管结构是其中最重要的结构，由于分支血 管特殊的结构，使得在分支部位具有像回流这样的血流特性，复杂的血液流动会 影响附近温度场的分布，因此，研究在动脉分支血管附近的生物热传导为今后理 解复杂的脉管系统提供了一定的理论基础。 中国人民解放军总医院超声科和我校的生物医学工程中心的研究人员，深入 研究了微波热疗的温度场分布，进一步将单热源、多热源组合治疗肝癌，一方面 扩大了凝固区的范围，另一方面可以构成比较复杂的形状，以解决适形治疗。同 时对微血管的冷却效应已做了有限的考虑，对单根血管在一些特殊流动状况下的 冷却效应也做了初步的探索。 1 3 本文研究内容及意义 本课题旨在研究水冷却微波天线消融热场的特性，客观地描述其在不同作用 时间、不同冷却水流速下的温升规律，探索计算机模拟预测水冷却微波天线温度 场的方法，研究其热场的规律，以更好的将其应用于临床，更好地指导临床上微 波消融治疗肝癌。 主要内容包括水冷式微波消融天线温度场的实验及数值研究。考虑到体模实 验布点的准确及方便性，首先在体模实验上确定了天线的比吸收率，为数值模拟 奠定了基础。为了验证s a r 的正确性，利用计算机模拟的方法( 有