肝脏微波消融热场和形变仿真研究
Veröffentlicht in 2024
微波消融是一种先进的局部热疗方法，已成为早期肝癌治疗的重要根治性手段之一。微波消融治疗肝癌的热力学机制对于精准化治疗策略、提升治疗效果至关重要。消融过程中组织所经历的热效应及伴随的形变特性直接关联其疗效的优劣，但临床直接测量难度巨大，建模仿真是推动该领域临床实践的有效工具。本研究通过微波与生物组织相互作用机制的数学表达，使用COMSOL Multiphysics仿真来分析消融过程中的热能分布以及由此触发的软组织热机械行为。本研究依据消融针的实际结构精确构建几何模型，并建立了电磁波与Pennes生物传热的多物理场耦合。鉴于肝脏组织电热特性对温度的敏感性，通过函数功能定义随温度动态变化的材料属性，使得仿真结果更加贴近真实消融的热场。利用固体力学模块定义肝脏组织作为线弹性材料的热膨胀和蛋白质变性等响应机制，来计算热诱导形变。通过域常微分与微分代数方程和外部应变输入作为变量融入应力应变方程，实现蛋白质变性的三态细胞死亡模型构建。结合消融针中天线的结构、电磁波传输、Pennes生物传热和蛋白质形变等实现多因素影响下的肝脏微波消融热场和形变仿真。仿真结果显示在100W/10min的消融条件下消融区域的长径和短径分别为46.2mm和30.5mm，与离体实验的误差分别为1.1mm和2.1mm。同时，模拟仿真结果揭示了消融过程中组织在径向上的皱缩与纵向上的膨胀趋势，形变幅度达到约20%。基于COMSOL Multiphysics的仿真有潜力用于消融术前规划从而优化消融结果。
