基于电磁场激励的人体表层组织热效应研究

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非侵入式射频热疗技术具有副作用小、效率高等优势,能够在人体生物组织靶点处产生局部高温,进而实现对组织内靶细胞DNA灭活或热消融,该技术在人体生物组织内靶细胞热消融治疗中具有广阔的应用前景。然而,现有研究对引起皮肤组织靶点温度变化的影响参数考虑较少,缺乏综合考虑电磁激励参数和人体差异对人体皮肤组织热效应的共同影响,进而导致人体皮肤组织热效应模型计算精度降低。同时,由于所考虑的射频热疗影响参数数目较少且模型精度较低,难以有效准确调控人体皮肤组织靶点温度,也易导致人体皮肤组织热疗事故。因此,本文综合考虑电磁激励幅值和频率、电极尺寸、热疗时间、靶点深度及脂肪厚度对人体皮肤组织靶点温度影响,开展了人体皮肤组织靶点温度演化规律的研究;讨论分析了不同影响参数对人体皮肤组织靶点温度的协同和拮抗作用机制;基于不同影响参数间的协同和拮抗作用机制,提出了人体皮肤组织热效应模型。研究首先基于Sim4life仿真平台,设计了人体皮肤组织射频热疗模型;讨论了用于电磁激励作用下人体皮肤组织物理场计算的准静态方程及网格剖分方法;分析了电磁激励在人体生物组织内的作用方式及机制;设计了人体组织内血液灌注所产生的热量耗散过程,为分析电磁激励对人体皮肤组织靶点温度研究提供支撑。其次,通过计算确定了本次射频热疗下的人体组织内比吸收率(SAR)在安全限制范围内,并在此基础上开展了电磁激励幅值和频率、射频电极尺寸、热疗时间、靶点深度及脂肪厚度等不同参数对人体皮肤组织靶点温度的影响研究;构建了不同参数数值、电场强度和电流密度与人体皮肤组织靶点温度数值间的关联关系,分析了不同参数和电场强度及电流密度作用下人体皮肤组织靶点温度的演化规律。最后,研究揭示了电磁激励幅值和频率、电极尺寸、热疗时间、靶点深度及脂肪厚度等不同参数对人体皮肤组织热效应的协同和拮抗作用机制。结合有限元分析和射频热消融试验,验证了人体皮肤组织热效应数学模型的计算精度(达97.5%以上),为更好理解多因素共同作用下人体皮肤组织的热效应机理及射频热消融技术参数优化提供参考。
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