激光诱导间质热疗疗效评估模型基础研究

论文摘要

激光诱导间质热疗法是一种可使局部组织受热发生凝固坏死的肿瘤热疗技术，但该方法目前尚存在一些难以解决的问题，例如缺乏术中实时获取生物组织参数的技术手段、无法实时获得生物组织在空间点的温度、无法实时判断毁损的范围等，这使得手术存在较大风险，治疗效果具有不确定性。本文针对这些问题，提出了具体的解决方案，利用近红外光谱技术实时获得生物组织光学参数，根据有限元方法结合实验建立了实时疗效评估模型，为激光诱导间质热疗技术的临床手术监测提供理论基础。论文根据有限元方法原理及其在生物传热学中的应用，借助于有限元仿真软件建立激光诱导间质热疗下生物组织的温度场分布，并由此得出生物组织的温度场分布模型及有效毁损体积模型。其中，温度场分布模型可以确定生物组织内部任意位置处的瞬时温度，有效毁损体积模型可以确定任意激光功率、照射时间下的有效毁损体积的变化情况。与此同时，为了证明研究的可行性，课题进行了动物在体实验验证，根据实验结果建立了有效毁损体积模型及约化散射系数μ′s随着激光功率和毁损时间的变化模型。通过对比仿真体积模型与实验体积模型，说明仿真结果的有效性，而约化散射系数μs′作为评估因子，结合毁损体积模型，实时监控评估生物组织有效毁损体积的变化，反映热毁损的程度。论文主要工作及创新点：(1)建立了基于有限元方法的仿真模型，包括温度场分布模型以及毁损体积模型，温度场分布模型是验证体积模型的必要准备。(2)建立了动物在体实验毁损体积模型以及光学参数模型，并验证了仿真模型的可用性，为激光诱导间质热疗技术进一步在临床应用奠定了基础。(3)建立了疗效评估模型，初步实现利用近红外光谱技术进行实时疗效评估。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外研究概况
• 1.2 激光诱导间质热疗（LITT）技术介绍
• 1.3 临床医学存在的问题
• 1.4 课题研究方案
• 1.5 论文框架
• 1.6 本章小结
• 第二章 基础理论介绍
• 2.1 近红外光谱技术简介
• 2.1.1 近红外光谱技术原理
• 2.1.2 近红外光谱技术的应用
• 2.2 生物组织中光子传输理论
• 2.2.1 生物组织中光传播的理论模型
• 2.2.2 激光在生物组织的光分布和热源项
• 2.3 生物组织热传导基础理论
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 Pennes 生物传热方程
• 2.3.3 边界条件
• 2.3.4 Pennes 模型的局限性
• 2.4 有限元分析方法简介
• 2.4.1 有限元方法原理
• 2.4.2 有限元方法的应用及发展
• 2.4.3 有限元分析软件 Comsol Multiphysics 介绍
• 2.5 本章小结
• 第三章 LITT 温度场有限元仿真研究
• 3.1 有限元仿真
• 3.1.1 Comsol Multiphysic 中仿真模拟求解步骤
• 3.1.2 建立几何模型
• 3.1.3 设置物理参数
• 3.1.4 设定边界条件
• 3.1.5 划分网格
• 3.2 仿真结果
• 3.2.1 激光功率一定
• 3.2.2 时间一定
• 3.3 本章小结
• 第四章 LITT 疗效评估实验
• 4.1 LITT 实验系统介绍
• 4.2 实验研究
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 实验结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 实时疗效评估数学模型建立
• 5.1 动物实验数据统计分析
• 5.1.1 毁损体积
• 5.1.2 光学参数
• 5.2 生物组织温度场分布模型
• 5.2.1 数据统计
• 5.2.2 回归模型建立
• 5.2.3 模型适用范围
• 5.3 激光毁损体积模型建立
• 5.3.1 数据统计
• 5.3.2 回归模型及显著性验证
• 5.4 模型评估分析
• 5.4.1 温度模型验证
• 5.4.2 体积模型验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 本文创新点
• 6.3 展望
• 6.4 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间的研究成果及发表的学术论文