热籽介导磁感应热疗稳态温度场仿真.pdf

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1、ISSN1000—0054清华大学学报(自然科学版)2014年第54卷第5期16／24JTsinghuaUniv(Sci&Techno1)，2014，Vo1．54，No．5638—642，648热籽介导磁感应热疗稳态温度场仿真卓子寒，王婕，翟伟明，王亨，唐劲天(清华大学工程物理系，粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，北京100084)摘要：热籽介导肿瘤磁感应热疗前，为确定有效治疗区域magneticinductionhyperthermia．及防止正常组织热损伤，需要建立三维治疗模型，进行温度Keywords：ferromagneticthermoseed；magneticinduc

2、tionhyperthermia；steady—statetemperaturedistributions；分布的数值计算。该文采用毫米级的铁磁热籽作为植入材finitevolumemethod；3-Dsimulations料，对其升温和传热过程进行空间数学模型建立，使用有限体积法对生物传热方程进行求解，研究不同热籽排布状态下的三维温度稳态分布情况，且在此基础上针对不同血液灌注肿瘤磁感应热疗是加温治疗领域内的新兴治疗率下磁感应热疗的组织温度分布和有效热疗区域进行了分方法，它利用植入肿瘤组织内的铁磁性热介质在外析。研究表明：不同热籽排布对治疗温度分布影响较大，选部中高频交变磁场的作用下

3、感应升温的原理，使肿用合适的热籽排布方案可以保证磁感应热疗良好的适形性；瘤组织迅速加热到43～7O℃，从而达到杀灭肿瘤细此外，血液灌注率较大的生物组织会显著降低治疗温度分胞的目的。由于铁磁介质本身具有居里点自动控温布，在术前计划制定时应当综合考虑。该文结果对于制定合的特性，因此在临床上不需要进行侵入性测温监控，理的磁感应热疗术前计划、预测靶区热籽空间排布和有效治使治疗安全性进一步增强_】]。磁感应热疗在临床实疗区域具有一定参考意义。施时，需要在保证肿瘤区域达到有效温度的前提下，关键词：铁磁热籽；磁感应热疗；稳态温度分布；有限体积防止对正常组织造成不可逆的热损伤，因此要求在方法；三维仿

4、真术前模拟靶区的温度拟定治疗计划。中图分类号：R73O．59文献标志码：A目前逐步应用于临床或有临床前景的植入铁磁文章编号：1000—0054(2014)05—0638—05介质包括：毫米级金属棒(称为热籽)l_2j、金属支架_3]、微米级羰基铁粉及纳米级磁流体]。其中毫米级热籽制作工艺简单且在治疗过程中具有居里点自动控温特性，在磁感应热疗领域已得到广泛研究和应用。如Chen【6]等构建了热籽导管穿刺植入模型，并使用有限差分法对其稳态温度分布进行模拟；Dean¨7等采用有限元方法研究了4×4阵列排布的热籽升温过程；Dughiero等使用热流体动力学有限元软件FLUX对肝脏热疗中热籽的

5、温度分布进行模拟。然而现有研究侧重于理论模型建立和传热分析，对于热疗过程中热籽排布及生物组织热参数对治疗温度分布的讨论较不充分。本文选取直径为0．8mm，长度为6mm的圆柱收稿日期：2Ol3—07—15基金项目：国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2O12BAllSB04)；北京市科技计划资助项目(Z1111000673l1053)作者简介：卓子寒(1987)，男(汉)，江苏，博士研究生。通信作者：唐劲天，研究员，E—mail：tangjt@mail．tsinghua．edu．cn卓子寒，等：热籽介导磁感应热疗稳态温度场仿真639形镍一铜合金热籽作为植入肿瘤组织的升温材料，采用有限体

6、积算法(finitevolumemethod，FVM)对毫米级热籽在肿瘤磁感应热疗中的稳态温度分布进行数值建模和仿真，并研究热籽排布及血液灌注率的不确定性对温度场分布的影响。1模型及算法治疗热籽的产热机理是铁磁体的涡流效应，其数学过程用Haider经验公式进行描述]：P(T)一P。／{1+exp[-fl(T—T)+2])．(1)其中：P(T)是与交变磁场极化方向平行放置的圆柱形铁磁体单位长度吸收磁场的功率，W；T是居里温度，K；fl／4代表居里温度点附近曲线的斜率。图1三维控制容积微元示意图P。表达式如下：P0===丌口(o2／1⋯／2a)言Hj．(2)j’尼(+等+等)d+其中：为

7、最大磁导率，H／m；为铁磁体电导率，s／m；∞为交变磁场频率，Hz；H。为交变磁场』(丁～T)dV+fqdV一。．(6)强度，A／m；n为铁磁体半径，m。根据Ostrogradskee积分公式，可以将方程(6)转化采用Pennes生物传热方程模拟组织内的传热为如下形式：过程，其形式为_I：l0C一(志VT)十Wb(Tb一丁)+q+q．[A瑟1w]+(3)1A]+其中：．0表示生物组织的密度，kg／m。；C表示组织的比热容，J／(kg·K)；T表示组织温度(