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子宫内膜双极多探针射频消融的有限元分析

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第33卷摇第2期2014年摇4月北京生物医学工程

BeijingBiomedicalEngineering

Vol郾33摇No郾2April摇2014

·论摇著·

子宫内膜双极多探针射频消融的有限元分析

胡涛摇肖家华

摘摇要摇目的运用有限元方法模拟子宫内膜射频消融过程中的温度场分布,为提高子宫内膜射频消融术的安全性和治疗效果提供理论依据。方法以三种常见大小的子宫腔为研究对象,根据生物热方程建立了子宫内膜的射频消融有限元模型,分析射频消融过程中靶向组织的最高温度、最低温度的变化,以及损伤面积和深度随子宫大小和射频电压(功率)不同产生的变化。结果电压不变、子宫尺寸变大时,最高温度变化较小,最低温度变小,损伤面增加但深度减小。子宫腔尺寸不变,功率变大时,最高温度增大,最低温度变化较小,损伤面积增加,深度增大。结论子宫内膜射频消融手术中同时考虑子宫腔大小和射频电压具有临床参考价值。

关键词摇射频消融;异常子宫出血;子宫内膜消融;有限元分析;生物传热方程DOI:10郾3969/j.issn.1002-3208郾2014郾02郾01.

中图分类号摇R318郾04;R318郾6摇摇文献标志码摇A摇摇文章编号摇1002-3208(2014)02-0111-06

Finite鄄elementanalysisofmultipleelectrodebipolarradio鄄frequencyforglobalendometrialablation

1TianjinKeyLaboratoryofRefrigerationTechnology,TianjinUniversityofCommerce,Tianjin摇300134;揖Abstract铱摇ObjectiveTosimulatethetemperaturedistributionofmultipleelectrodebipolarradio鄄

2CardeaMedsystems(Tianjin)CompanyLimited,Tianjin摇300384

HUTao1,XIAOJiahua2

frequency(RF)forglobalendometrialablationbyfiniteelementmethod.Thisthermotherapymightimprovethesafetyandeffectivenessofendometrialablation.MethodsWiththreecommonsizesofuterinecavityastheresearchobjectsandaccordingtothebio鄄heattransferequation,threefiniteelementmodelswereestablishedtoanalyzethechangesofpeaktemperatures,lesionareaandlesiondepthindifferentsizesofuterinecavityunderlarger.Inthesamesizeofuterinecavity,asthepowerbecamehigher,maximumtemperaturewashigher,andandradio鄄frequencyvoltageshouldbeconsideredinendometrialablation.analysis;bio鄄heattransferequation

揖Keywords铱摇radio鄄frequencyablation;abnormaluterinebleeding;endometrialablation;finiteelement

differentradio鄄frequencyvoltages.ResultsUnderthesamevoltage,asthesizeofuterinecavitybecamegreater,maximumtemperaturechangedsmall,minimumtemperatureandlesiondepthbecamelower,andlesionareawasminimumchangedsmall,lesionregionwaslargerandlesiondepthwasdeeper.ConclusionsUterinecavitysize

0摇前言

作者单位:1天津商业大学天津市制冷技术重点实验室(天津摇

300134)

2卡尔迪雅(天津)医疗器械有限公司(天津摇300384)

通信作者:胡涛。E鄄mail:124263062@qq.com

异常子宫出血(abnormaluterinebleeding,AUB)是一种常见的妇科疾病,发生在大约20%的女性中[1-2]。AUB的临床表现包括月经周期紊乱和大量

·112·

北京生物医学工程摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇第33卷

出血,情况严重者会患有贫血或继发感染。目前,治疗异常子宫出血主要依赖药物或手术切除子宫[3-4],但都有很大的缺陷。随着微创技术的发展,子宫内膜射频消融术(radio鄄frequencyablation,RFA)因其治疗AUB同时保存子宫的功能,而被越来越多的人所研究和应用。

RFA是一种新兴的微创热疗技术,子宫内膜射

场强度,V/m;J为电流密度,A/m2;Qm、Qb分别为生物代谢热项、血流灌项,W/m3。其中,血流灌项Qb由方程(2)计算得来,在方程(2)中,籽b、Cb、Wb、Tb

分别为血液密度、比热容、灌注率和进入加热区的血液温度;电流密度J由欧姆定律方程(3)计算得来,在方程(3)中,滓为组织电导率,S/m。本文主要目的在于模拟射频消融过程中温度的变化特性,其中仅考虑稳定情况,不考虑生物代谢热和血流灌注的频消融是指利用频率为470kHz的射频电流热损伤子宫内膜组织。在手术中,射频电极通过自然通道放置在子宫腔周边,在射频主机和计算机的控制下,电流通过电极流向子宫内膜组织,病变组织在射频电磁场作用下产生热量,致使局部温度快速上升。当温度上升到55益时,病变组织细胞会发生不可逆的凝固坏死[5]热功率和时间的确定还依赖医生的经验,从根本上治疗了AUB。目前射频加,人为因素影响很大,因此对射频消融热损伤区域(即组织温度大于等于55益区域)进行有限元分析、实现术前的手术规划具有重要的临床意义。

目前,有许多利用有限元方法研究心脏和肝脏

射频消融的文献[6-8]内膜消融治疗AUB的文献很少,但利用有限元方法研究子宫[9-10]极多探针[卡尔迪亚(天津)有限公司。]和子宫内膜

本文根据双组织特性建立有限元模型,以生物热方程为基础,利用有限元方法分析靶向组织的温度和损伤大小随子宫大小和射频功率(电压)变化的变化。

1摇原理与方法

1郾1摇生物热方程和热电参数

射频主机发射的能量通过靶向组织中电流的电热转换使组织温度加热到55益或以上。在射频消融过程中,连接射频主机正负极的射频探针和探针附近的靶向组织形成主要的闭合回路,流经组织的电流产生焦耳热,由于热的传导作用,热量传递到组织内部Pennes,(1)。

生物传热方程从而使得损伤区域扩大,组织中的热传递以[11]为基础计算,方程见公式籽C鄣鄣Tt

=荦k荦T+JE+Qb+Qm

Qb=籽bCbWb(Tb-T)

(1)(2)摇/摇(kg·益式中,J=滓E

(3)

);籽为组织密度k为组织热导率,kg/,Wm3J;/C(m·益为组织比热容);E为电

,影响[12]在本文的有限元模型中,故假设Qm=0、Qb=0。,射频电极和组织材料

100益的热电参数见表时,视为常数1,其中,组织的电导率在温度不到

[13-14]。

表1摇材料属性Table1摇Materialproperties

项目材料(kg籽/m/

3

)[J/(kgC//益)][W/(mk/

/益)]

(S滓//m)电极

不锈钢

6540840181E+8组织子宫内膜106036000郾56[15]0郾305[16]连接件聚氨酯

70

1045

0郾026

1E-5

1郾2摇子宫内膜射频消融的有限元模型

本文考虑三种不同子宫腔大小情况下,建立子宫内膜射频消融的有限元模型。如图1所示,三对消融电极放置在长为60mm和宽为35mm的三角子宫腔周边A,,第一对电极放置在子宫腔底部,标记为电极对标记为子宫腔中间这对电极标记为C。电极间由聚氨酯短键连接B,自然通道附近的,根据子宫腔大小的不同,通过调节连接件的角度建立了另外两种大小子宫腔(长为60mm;宽分别为30mm和25mm)的有限元模型[17]中,子宫及附近的组织由一。个在本文有限元模型150mm;宽100mm;高40mm)表示长,方由于三角子宫体区域(长腔的上下对称,故本文只模拟计算子宫的下半部分。根据前期的研究,标记两个特殊点:点E为电极对B边缘与组织接触点,点O(0,45,0)为电极对A和B形成区域的中心,见图2。

本文运用多物理场耦合软件COMSOL4郾2对三种子宫腔的有限元模型进行前处理、仿真计算、后处理。模型采用自由网格划分,并在子宫腔及附近组织进行网格加密,这种网格划分方式很好地保证了子宫内膜区域的网格足够小从而能准确描述传热情

第2期摇摇摇摇摇摇胡涛,等:子宫内膜双极多探针射频消融的有限元分析

·113·

图1摇子宫水平截面及电极布置

Figure1摇Thehorizontalplaneoftheuterusand

multi鄄electrodearrangement

图2摇子宫内膜消融有限元模型Figure2摇Afiniteelementmodelfor

globalendometrialablation

况。图3为长60mm、宽35mm的子宫腔的有限元网格划分,包含63727个四面体单元和9321个三角形单元。在所有模型中,消融时间都为250s,其中前180s,射频主机只向电极对A和B提供电压,在消融时间为180~250s时,射频主机只向电极对C提供电压[17]对所有模型,。从本研究考虑温度场随电压不同情况消融开始到180s,分别提供电压

,30提供电压V、40V、5040VV给电极对给电极对C。A和所有模型其他初始条B;从180s到250s,件和边界条件如下淤子宫内膜及附近组织的初始温度为。

37益。地(即于U模型上表面为绝热边界=0)。

,其他表面边界为接

图3摇模型的有限元网格划分

Figure3摇Finiteelementmeshingforthemodel

性坏死盂)。

消融区域以55益为边界(超过55益组织变

2摇结果与分析

对三种模型施加不同的电压载荷,发现消融区域类似三角形子宫腔。以长60mm、宽35mm的子宫腔施加40V电压为例,如图4所示,55益等温线显示消融区域的边界与三角形子宫腔形状相似。在消融过程中,消融区域中最高温度发生在电极对B的顶端与组织的接触面上A融区域的最高温度和最低温度和B的中心处,故本文用点,最低温度发生在电极对E。

和点O分别代表消图5、图6分别显示了靶向组织内最高温度点E

和最低温度点O随消融时间的温度曲线。可以看出,在消融前期(0~180s),电极对A和B附近组织的温度在消融前几十秒快速增长,然后逐渐趋于稳定;电极A和B围成区域中心组织的温度以比较稳定速度增长。在消融后期(180~250s),只有电极对C被激活,离电极对C较远的点E和O只有传热作用,而没有产热的作用,因此,在消融后期,点E的温度快速下降,点O的温度呈更加缓慢上升趋势。

研究消融过程中的温度变化,有利于提高手术的安全性和治疗效果。有效安全的射频消融手术需100益要做到两点:淤靶向组织内最高温度不能超过

向组织内最低温度需要超过,防止水蒸气蒸发,灼伤附近正常组织55益,致使子宫内膜发;于靶生不可逆损伤。本研究发现,在同样的消融电压下,子宫腔宽度越大,最高温度点E变化较小(图5),最低温度点O减小(图6);在子宫腔大小一定时,消融

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