水冷却天线微波热疗温度场的数值研究

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1、摘要摘要热疗作为治疗肿瘤的第四大疗法，已引起国内外学者及医疗界的普遍重视。为了获得最佳的适形治疗效果，确定热疗温度场的变化规律是非常必要的。计算机模拟可以方便、快速地提供消融热场的特征。本文采用有限元数值模拟方法研究水冷却微波天线热消融温度场。包括1)体模中微波热疗温度场的研究。通过施加对流换热系数来模拟天线中的水冷效应，早期实验测得的SpecialAbsorptionRate(SAR)作为微波热计量。2)双天线组合温度场的研究。通过改变天线的不同间距、加热时间获得最佳温度场并避免组织炭化。3)分叉血管周围温度场的研究。采用流固共轭传热的方法研究典型分叉血管周

2、围的温度分布，并提出临床微波热疗阻断血管的判定条件。数值结果表明：1)单天线凝固区呈椭圆形，最高温度出现在微波天线的前向，与无水冷天线比较，最高温度降低23℃。冷却水的流速对凝固区的形态、大小影响甚微。2)组合天线研究中，凝固区形状受天线间距影响，随间距增大而逐渐变为蝶形。天线间距2．0cm可获得最大的凝固体积为31．97cm3，体积较单天线热疗凝固区增长42．9％，此时凝固区为椭球形。3)分叉血管研究中，当加热时间为300S，天线与血管距离D<20mm时，热场形态受血液流动影响而变化明显，有效温度场仅在靠近分支血管一侧，且温度梯度变化剧烈。当加热时间为300

3、s，D>20mlTl时，血液循环对微波凝固区的形态基本无影响．数值结果与实验结果在凝固区形态、监测点温度等具有良好的一致性。水冷天线可以有效地降低组织最高温度，避免组织炭化。通过改变天线间距可以调控凝固区形态及大小。天线与血管距离D>20mitt，加热时间300S时，可忽略血液流动影响，临床热疗无需阻断血管。本文的研究结果将对临床微波热疗和手术规划提供一定的帮助和指导。关键词：微波热疗、数值模拟、有限元、温度Abstract．．．．．．．．．．．．．———．．．．，．．．．———．．．———．．．．—．．．．——．．．．——．．．．．．．．．—II—I—，．．

4、．．．．．．———————．————————．————一——I——I—I———————————．I．————I——————IAsthefourththerapeuticmethodtocuremalignanttumor,thermalablationhasbeenwidelyusedinclinicaltreatmentofcancerinrecentyears．Fortherapeuticconditionsoptimizingofthetreatment，itisnecessarytocalculatethecompletelytime-dependen

5、ttemperaturefieldinhumantissuecausedbytheablation．Computersimulationisapowerfultoolsinceitcarlprovidevitalinformationonthermalbehaviorofablation．TheobjectiveofthisresearchWastorevealthethermalcharacteristicsofawater-cooledmicrowaveantennabyfiniteelementnumericalsimulation．Firstly，th

6、etemperaturedistributioninphantomwasstudied．Thecoolingeffectintheregionofthewater-cooledantennaWasintroducedbyapplyingconvectivecoefficienttotherelatedboundaries，andtheexperimentaldeterminedSpecialAbsorptionRate(SAR)inphantomWasappliedasheatgenerationofmicrowavegenerator．Secondly，th

7、ecombinationthermalfieldoftwogeneratorswasstudied．TheablationpatternCanberegulatedbyapplyingdifferentdistanceandtheheatingtime．Thirdly,thethermalfieldinthevicinityofarterialbifurcationWasinvestigatedbycoupledfluidflowandsolidheattransfer,andthenaconditionofvesselocclusioninclinicalw

8、asproposed．Thenumer