專利名稱：電容射頻熱療裝置的深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種射頻熱療方法，尤其涉及一種電容射頻熱療方法。
電容射頻熱療(capacitive radio-frequency hyperthermia)是腫瘤臨床中常用的高溫治癌(Hyperthermic Oncology)技術(shù)。其中有兩極板電容型和三極板電容型兩種，所述的兩極板電容型簡(jiǎn)稱為兩電容熱療，三極板電容型簡(jiǎn)稱為三電容熱療。電容耦合加熱主要是通過(guò)射頻電流在組織中的歐姆損耗來(lái)產(chǎn)生熱效應(yīng)，其主熱場(chǎng)范圍隨電極面積增加而逐步加深。但射頻電流隨著與電極距離增加而發(fā)散，導(dǎo)致電流密度隨治療深度增加而減小，因此深部加熱的效果減弱。兩電容熱療時(shí)，熱場(chǎng)分布主要靠電極大小來(lái)調(diào)整，其有效熱區(qū)多靠近小尺寸電極一側(cè)，為達(dá)到深部加熱目的，需使用較大面積的電極，只有當(dāng)極板直徑等于或超過(guò)極板間距時(shí)，大部分射頻電流才能在由極板組成的柱體內(nèi)流過(guò)，其相應(yīng)的深部組織才能被加熱，但因加熱面積增大和深度增加而使電流密度降低，難以滿足深部加熱的要求。對(duì)三電容熱療來(lái)說(shuō)，雖然可通過(guò)改變?nèi)齻€(gè)極板電壓的相位、幅值和功率分配方式來(lái)調(diào)整熱場(chǎng)分布，但仍無(wú)法使射頻電流集中在組織深部。基于上述原因，電容射頻熱療對(duì)深部治癌往往難以奏效。因此，如何有效地調(diào)整和控制深部熱場(chǎng)分布是電容射頻熱療用于深部高溫治癌時(shí)能否取得良好療效的難點(diǎn)，至今尚無(wú)較好的解決方法。
腫瘤熱療中最重要也即最困難的問(wèn)題之一是如何控制人體內(nèi)加熱溫度場(chǎng)分布，使之既覆蓋住欲加熱的腫瘤組織靶區(qū)，達(dá)有效治療高溫區(qū)43~45℃，但又不損傷其周圍的正常組織，保證其溫度低于40℃。為此，在選擇加熱物理參數(shù)，如輻射器功率、電極位置尺寸和電壓相位等和制定臨床熱療方案之前，應(yīng)進(jìn)行人體內(nèi)溫度場(chǎng)分布預(yù)測(cè)。但生物體內(nèi)溫度場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)仍是生物醫(yī)學(xué)熱物理研究和臨床應(yīng)用中尚未解決的難題。
目前，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法進(jìn)行生物體溫度場(chǎng)無(wú)損重構(gòu)是最有應(yīng)用前景的途徑。通常，由已知加熱物理?xiàng)l件來(lái)求解熱場(chǎng)分布，稱為正問(wèn)題；反之，由預(yù)期目標(biāo)熱場(chǎng)分布求解所需加熱物理參數(shù)稱為逆問(wèn)題。由于人體組織具有各向異性，迄今為止，在腫瘤熱療中，多為正問(wèn)題預(yù)測(cè)，未見(jiàn)逆問(wèn)題求解。
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電容射頻熱療裝置的深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制方法，以直接獲得可達(dá)到預(yù)期高溫治癌目標(biāo)熱場(chǎng)分布的理想加熱物理參數(shù)。這對(duì)有關(guān)熱療裝置設(shè)計(jì)及熱療臨床方案制定均有重要指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)將斷層組織影像膠片數(shù)字化后的圖像信息輸入到計(jì)算機(jī)中；(2)用具有處理圖像信息功能的程序處理上述圖像信息從而獲得斷面簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型的有限元剖分圖像信息，并將其存儲(chǔ)于存儲(chǔ)裝置中；(3)將預(yù)定靶區(qū)加熱的目標(biāo)溫度分布的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)裝置中；(4)將電容射頻熱療裝置的加熱物理參數(shù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)裝置中；(5)依據(jù)上述有限元剖分和加熱物理參數(shù)進(jìn)行正問(wèn)題求解，獲得計(jì)算溫度分布的數(shù)據(jù)；(6)依據(jù)上述計(jì)算溫度分布和目標(biāo)溫度分布的數(shù)據(jù)求解得到溫度目標(biāo)函數(shù)；(7)依據(jù)上述溫度目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值進(jìn)行如下選擇若該數(shù)值不接近0，則采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，修正加熱物理參數(shù)，并返回步驟(4)，進(jìn)行循環(huán)處理；若該數(shù)值接近0，則將上述步驟(4)中所述的加熱物理參數(shù)作為電容射頻裝置的深部熱場(chǎng)的最優(yōu)加熱物理參數(shù)輸出。
所述的遺傳算法最好采用下列子步驟(a)隨機(jī)選擇五個(gè)個(gè)體或四個(gè)個(gè)體再連同上一代的最佳個(gè)體，構(gòu)成新一代種群；(b)計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)性，將最佳個(gè)體標(biāo)為個(gè)體5直接送入下一代，以保證遺傳信息不丟失；(c)其余個(gè)體根據(jù)竟賽規(guī)則進(jìn)行繁殖，最佳個(gè)體也參與競(jìng)爭(zhēng)，并且避免近親繁殖；(d)種群中選出的個(gè)體以一定概率進(jìn)行交配；(e)檢測(cè)種群是否收斂，若收斂轉(zhuǎn)至步驟(b)，作循環(huán)處理；若不收斂，則執(zhí)行下一步驟；(f)依據(jù)迭代代數(shù)的數(shù)值作如下選擇若該數(shù)值小于允許的最大代數(shù)，則返回步驟(a)，進(jìn)行循環(huán)處理；若該數(shù)值等于或大于允許的最大代數(shù)，則完成遺傳算法。所述的種群交配后，進(jìn)行變異。所述的溫度目標(biāo)函數(shù)的算法采用如下方式表達(dá)J=∫ΩλFT[T(φ)]dΩ]]>式中φ為待優(yōu)化的邊界電位分布，Ω為優(yōu)化求解的有限元剖分區(qū)域，λ為目標(biāo)函數(shù)中對(duì)應(yīng)不同剖分區(qū)域的優(yōu)化權(quán)重；Rr為溫度目標(biāo)函數(shù)，包含腫瘤組織的溫度目標(biāo)函數(shù)FT1和正常組織的溫度目標(biāo)函數(shù)FT2兩部分；溫度目標(biāo)函數(shù)FT的積分離散為如下形式∫ΩFT[T(φ)]dΩ=λ1Σl=1N1FT1[Ti(φ)]+λ2Σj=1N2FT2[Tj(φ)]]]>式中N1為需要加熱的腫瘤組織節(jié)點(diǎn)數(shù)，N2為應(yīng)避免過(guò)熱的正常組織節(jié)點(diǎn)數(shù)，T1和T2分別為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)溫度，λ1和λ2分別為腫瘤組織和正常組織的優(yōu)化權(quán)重。式中所述的腫瘤組織和正常組織的優(yōu)化權(quán)重之比λ1/λ2以8~14為宜。
本發(fā)明的有益效果是在人體深部熱療時(shí)，無(wú)論是使用兩極板電容型和三極板電容型的電容射頻熱療裝置，采用本發(fā)明的方法均能有效、準(zhǔn)確、直接地獲得可達(dá)到預(yù)期高溫治癌目標(biāo)熱場(chǎng)分布的理想加熱物理參數(shù)。從而改善電極邊沿的過(guò)熱效應(yīng)，既能使深部腫瘤部位達(dá)到預(yù)期熱療目標(biāo)溫度，又能避免損傷深部腫瘤周圍的正常組織。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明電容射頻熱療裝置的深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制方法的工作流程圖；圖2是本發(fā)明提取斷層簡(jiǎn)化組織模型和模型的有限元剖分的流程圖；圖3是本發(fā)明正問(wèn)題求解溫度場(chǎng)分布的流程圖；圖4是本發(fā)明利用遺傳優(yōu)化算法獲得加熱物理參數(shù)的流程圖；圖5(a)和圖5(b)分別是本發(fā)明加熱軀體的斷面簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型和模型的有限元剖分示意圖；圖6是本發(fā)明溫度目標(biāo)函數(shù)的曲線圖；圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)分別是本發(fā)明腫瘤位于深部時(shí)兩電容熱療優(yōu)化加熱條件下的電勢(shì)(φ)分布、SAR分布和溫度(T)分布的示意圖；圖8(a)、圖8(b)和圖8(c)分別是本發(fā)明同時(shí)存在深部和淺部腫瘤時(shí)兩電容熱療優(yōu)化加熱條件下的電勢(shì)(φ)分布、SAR分布和溫度(T)分布的示意圖；圖9(a)、圖9(b)和圖9(c)分別是本發(fā)明腫瘤位于深部時(shí)兩電容熱療優(yōu)化加熱條件下的電勢(shì)(φ)分布、SAR分布和溫度(T)分布的示意圖；圖10(a)、圖10(b)和圖10(c)分別是本發(fā)明同時(shí)存在深部和淺部腫瘤時(shí)三電容熱療優(yōu)化加熱條件下的電勢(shì)(φ)分布、SAR分布和溫度(T)分布的示意圖。
圖1至圖6示出本發(fā)明工作流程，在圖1中，利用醫(yī)學(xué)影象裝置，所述醫(yī)學(xué)影象裝置可以是X射線斷層攝影裝置，即X-CT；或是磁共振成象，即MRI；及其它醫(yī)學(xué)影象設(shè)備，獲得加熱目標(biāo)區(qū)域的斷層組織膠片，然后經(jīng)數(shù)字化膠片掃描儀將斷層影像輸入計(jì)算機(jī)，在機(jī)內(nèi)由手工或程序簡(jiǎn)化組織結(jié)構(gòu)模型，確定斷面及器官邊界，并完成斷面結(jié)構(gòu)模型的有限元剖分，如圖5(a)和圖5(b)所示；從圖5(a)中可分析出該加熱軀體中含有兩塊腫瘤，其中一塊7位于淺表，另一塊8位于深部；從圖5(b)中得出有限元剖分的三角單元數(shù)為1555，節(jié)點(diǎn)數(shù)為826，但邊界點(diǎn)中加熱電極和冷卻水袋所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置、數(shù)目及電壓值需在優(yōu)化過(guò)程中確定。
為了進(jìn)行正問(wèn)題求解，設(shè)人體初始溫度和血液溫度均為37℃，初始電極位置、大小和電壓值均隨機(jī)取得；根據(jù)熱療理論和臨床經(jīng)驗(yàn)，定義預(yù)期加熱的最終目標(biāo)溫度為腫瘤組織溫度43~45℃，正常組織溫度30~40℃。
加熱物理參數(shù)主要由電容射頻熱療裝置上的各電極板位形和加熱功率構(gòu)成，這里說(shuō)的電極板位形指的是電極板的大小尺寸和位置，根據(jù)加熱功率得出極板電壓。極板電壓和位形決定了人體外邊界電位φ的分布，{φ}＝{φ1，φ2，…φm}。這里φ1~φm為有限元剖分中邊界各節(jié)點(diǎn)電位，其中包括電極板處的節(jié)點(diǎn)電位。此外，在人體皮膚與電極板間通常墊以冷卻水袋以避免電極邊緣電場(chǎng)的過(guò)熱。由于循環(huán)水冷作用冷卻水袋具有穩(wěn)定的冷卻溫度。
對(duì)于電容射頻熱療加溫場(chǎng)合，根據(jù)圖5(b)的有限元剖分和隨機(jī)確定的初始加熱物理參數(shù)進(jìn)行正問(wèn)題求解以獲得計(jì)算溫度分布的數(shù)據(jù)。其正問(wèn)題求解如圖3所示包括兩部分電磁場(chǎng)問(wèn)題——求解Laplace方程以得到生物組織中的電場(chǎng)分布；溫度場(chǎng)問(wèn)題——求解生物熱傳輸方程以得到組織中由電場(chǎng)加熱而產(chǎn)生的溫度分布。
由于射頻取值為10MHz左右，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于人體深度尺寸，可采用似穩(wěn)電場(chǎng)來(lái)描述人體中的電場(chǎng)。場(chǎng)中電勢(shì)φ，滿足Laplace方程(-εφ)＝0(1)式中ε為生物組織的介電常數(shù)。由電勢(shì)φ的分布可解得電場(chǎng)強(qiáng)度 的分布E→=-▿φ----(2)]]>電場(chǎng) 在生物組織中引起射頻電流，產(chǎn)生歐姆加熱效應(yīng)。對(duì)于三極板射頻電容熱療裝置，其三個(gè)極板的電勢(shì)φ還應(yīng)滿足矢量和為零的相位平衡條件φ1＋φ2＋φ3＝0 (3)熱療臨床上將單位組織質(zhì)量所吸收的熱量即電場(chǎng)能稱之為比吸收率(SpecificAbsorption Rate-SAR)，記為Qs，由下式給出QS=12σ1|E|2----(4)]]>加熱區(qū)域內(nèi)組織溫度(T)分布由下述Pennes生物傳熱方程決定ρtCt∂T∂t-▿(Kt▿T)=Qt+Qs+Qb--(5)]]>式中ρt，Ct，Kt分別為組織密度、比熱和導(dǎo)熱率。Qt為生理產(chǎn)熱項(xiàng)，Qs為SAR產(chǎn)熱項(xiàng)，Qb為血流灌注散熱項(xiàng)。Qb可由下式描述Qb＝(Fb)t(ρbCb)(T-Tb)(6)式中(Fb)t為組織(t)中血流(b)灌注量，ρb，Cb為血液密度和比熱，Tb為灌注血液溫度。計(jì)算中假定(Fb)t為不隨加熱溫度變化的常量，血液溫度定為37℃。一般情況下Qt比Qs和Qb小得多，可略去。
正問(wèn)題即求解以上(1)~(5)式。本發(fā)明采用二維有限元法(2D-FEM)進(jìn)行數(shù)值求解，適用于兩電容和三電容兩種熱療系統(tǒng)。表1為計(jì)算時(shí)所需電、熱物理參數(shù)。
表1 生物組織的電學(xué)和熱學(xué)參數(shù)
在圖4中，根據(jù)目標(biāo)溫度分布和計(jì)算溫度分布，定義如下的優(yōu)化溫度目標(biāo)函數(shù)JJ=∫ΩλFT[T(φ)]dΩ----(7)]]>式中φ為待優(yōu)化的邊界電位分布，Ω為優(yōu)化求解的有限元剖分區(qū)域，λ為目標(biāo)函數(shù)中對(duì)應(yīng)不同剖分區(qū)域的優(yōu)化權(quán)重。Fr為溫度目標(biāo)函數(shù)，含腫瘤組織的溫度目標(biāo)函數(shù)FT1和正常組織的溫度目標(biāo)函數(shù)FT2兩部分。
圖6示出，當(dāng)腫瘤溫度處于43～45℃時(shí)，F(xiàn)T1＝0；當(dāng)正常組織溫度在30～40℃時(shí)，F(xiàn)T2＝0。若此時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，公式(6)中FT的積分可離散為如下形式∫ΩFT[T(φ)]dΩ=λ1Σi=1N1FT1[Ti(φ)]+λ2Σj=1N2FT2[Tj(φ)]---(10)]]>式中N1為需要加熱的腫瘤組織節(jié)點(diǎn)數(shù)，N2為應(yīng)避免過(guò)熱的正常組織節(jié)點(diǎn)數(shù)，Ti和T2分別為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)溫度，λ1和λ2分別為腫瘤組織和正常組織的優(yōu)化權(quán)重。
圖4示出優(yōu)化算法的處理過(guò)程，在給定目標(biāo)溫度分布的加熱條件下，優(yōu)化電極驅(qū)動(dòng)電壓和極板的位形參數(shù)，使得經(jīng)正問(wèn)題求解所得計(jì)算溫度分布盡可能接近于預(yù)定目標(biāo)溫度分布，換句話說(shuō)，就是經(jīng)正問(wèn)題求解得到的溫度目標(biāo)函數(shù)的值接近0。本發(fā)明采用遺傳算法(Genetic algorithms-GA)進(jìn)行優(yōu)化求解，遺傳算法是一類采用遺傳學(xué)機(jī)制進(jìn)行參數(shù)搜索的數(shù)值優(yōu)化技術(shù)。近年來(lái)因其有很好的魯棒性而被產(chǎn)泛用于工程、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域中求解各類優(yōu)化問(wèn)題，成為解決多目標(biāo)、非光滑、復(fù)雜優(yōu)化難題的有力工具。遺傳算法通常使用選擇、交配、變異等三個(gè)算子，歷經(jīng)數(shù)代才能獲得滿意的優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化求解的任務(wù)是使用遺傳算法對(duì)邊界電勢(shì)分布進(jìn)行迭代修正，直到相鄰代的最佳結(jié)果所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)變化小于某一閾值或達(dá)到允許進(jìn)化的最高代數(shù)時(shí)停止。
遺傳算法的步驟如下(a)隨機(jī)選擇五個(gè)個(gè)體或四個(gè)個(gè)體再連同上一代的最佳個(gè)體，構(gòu)成新一代種群；
(b)計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)性，將最佳個(gè)體標(biāo)為個(gè)體5直接送入下一代，以保證遺傳信息不丟失；(c)其余個(gè)體根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則進(jìn)行繁殖，最佳個(gè)體也參與競(jìng)爭(zhēng)，避免避免近親繁殖；(d)、種群中選出的個(gè)體以一定概率進(jìn)行交配，交配后可不進(jìn)行變異；(e)、根據(jù)檢測(cè)種群是否收斂選擇進(jìn)行若收斂，則轉(zhuǎn)至步驟(b)，進(jìn)行循環(huán)處理；若不收斂，則執(zhí)行下一步驟；(f)、根據(jù)迭代代數(shù)的數(shù)值作如下選擇若該數(shù)值小于允許的最大代數(shù)則返回步驟(a)，進(jìn)行循環(huán)處理；否則完成遺傳算法。
對(duì)于兩電容熱療系統(tǒng)，因其優(yōu)化目標(biāo)相對(duì)較少，本發(fā)明使用微遺傳算法；對(duì)于三電容熱療系統(tǒng)則使用普通遺傳算法。
圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)給出了僅在深部含有腫瘤時(shí)兩電容熱療的優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果。其中圖7(a)為在交流電壓取最大值時(shí)，優(yōu)化加熱條件下的電勢(shì)(φ)分布，圖7(b)為SAR分布，圖7(c)為溫度(T)分布?？偧訜釙r(shí)間900秒。加熱靶區(qū)即腫瘤組織的最終溫度為43.7±0.9℃；在非加熱靶區(qū)即正常組織溫度為37.7±3.1℃；消耗功率為2300W。優(yōu)化加熱條件下電極的位置尺寸如圖中邊界外圍粗黑線所示。從圖中可以看到深部腫瘤部位基本達(dá)到了預(yù)期熱療目標(biāo)。
圖8(a)、圖8(b)和圖8(c)給出了腫瘤位于深部時(shí)三電容熱療的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，其中圖8(a)為在交流電壓取最大值時(shí)，優(yōu)化加熱條件下的電勢(shì)(φ)分布，圖8(b)為SAR分布，圖8(c)為溫度(T)分布。總加熱時(shí)間900秒。加熱靶區(qū)即腫瘤組織的最終溫度為43.0±0.7℃；在非加熱靶區(qū)即正常組織溫度為38.6±3.0℃；消耗功率為2880W，此功率比腫瘤位于淺表時(shí)消耗功率有所增加。與兩電容熱療相比，三電容熱療時(shí)在使深部腫瘤部位達(dá)到預(yù)期熱療目標(biāo)的同時(shí)，也改善了電極邊沿的過(guò)熱效應(yīng)，即優(yōu)化結(jié)果更為出色。這主要是因?yàn)槿娙轃岑煏r(shí)不僅電極的位置尺寸有更多的調(diào)整余地，而且三個(gè)極板的電勢(shì)還可以調(diào)整相位分配，使之具有更強(qiáng)的優(yōu)化能力。
圖9(a)、圖9(b)和圖9(c)給出了深部和淺部同時(shí)存在腫瘤時(shí)兩電容熱療的優(yōu)化計(jì)算的實(shí)例的結(jié)果，其中圖9(a)為優(yōu)化加熱條件下的電勢(shì)(φ)分布，圖9(b)為SAR分布，圖9(c)為溫度(T)分布?？偧訜釙r(shí)間900秒。深部腫瘤靶區(qū)最終溫度為43.2±0.7℃；邊緣腫瘤靶區(qū)的最終溫度為43.2±1.6℃；在非加熱靶區(qū)即正常組織的溫度為38.7±3.1℃；消耗功率為3150W，需比僅存在單個(gè)腫瘤時(shí)增大消耗功率。從圖中可以看出深部與淺部的腫瘤均已進(jìn)入有效高溫區(qū)，但仍有局部正常組織的過(guò)熱現(xiàn)象。有趣的是此時(shí)優(yōu)化效果比僅有深部腫瘤時(shí)更好。其原因可能是由于深、淺部同時(shí)存在腫瘤時(shí)，深部腫瘤可借助于位于邊界的淺部腫瘤加熱優(yōu)化目標(biāo)驅(qū)動(dòng)作用獲得優(yōu)化加熱的邊界電勢(shì)分布；而僅有深部腫瘤時(shí)，邊界僅存在避免正常組織過(guò)熱的約束條件，故對(duì)深部腫瘤加熱優(yōu)化驅(qū)動(dòng)作用難以奏效。
圖10(a)、圖10(b)和圖10(c)給出了深部和淺部同時(shí)存在腫瘤時(shí)三電容熱療的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，其中圖10(a)為優(yōu)化加熱條件下的電勢(shì)(φ)分布，圖10(b)為SAR分布，圖10(c)為溫度(T)分布?？偧訜釙r(shí)間900秒。深部腫瘤終溫度為43.2±0.7℃；邊緣腫瘤靶區(qū)的最終溫度為43.2±1.6℃；在非加熱靶區(qū)即正常組織的溫度為38.7±3.1℃；消耗功率為3150W，同樣需比僅存在單個(gè)腫瘤時(shí)增大消耗功率。從圖中同樣可以看出此時(shí)比單獨(dú)存在深部腫瘤時(shí)優(yōu)化效果要好，且比兩電容熱療的優(yōu)化效果更好。
圖7、圖8、圖9和圖10系列示出的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的操作過(guò)程是先使用X-CT裝置獲得加熱目標(biāo)區(qū)域的斷層組織膠片，再經(jīng)數(shù)字化掃描儀將膠片影象輸入計(jì)算機(jī)；操作人員可通過(guò)鍵盤由手工和程序確定組織斷面及器官邊界，完成斷面結(jié)構(gòu)的有限元剖分；然后隨機(jī)設(shè)置熱療裝置的初始加熱物理參數(shù)，即電極位置、大小和電壓值，并定義預(yù)期加熱的最終目標(biāo)溫度；經(jīng)啟動(dòng)熱場(chǎng)優(yōu)化控制程序，根據(jù)設(shè)定的初始加熱物理參數(shù)和最終目標(biāo)溫度，系統(tǒng)采用二維有限元法(2D-FEM)進(jìn)行數(shù)值求解電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的正問(wèn)題，接著根據(jù)有限元剖分和正問(wèn)題求解的溫度場(chǎng)，使用微遺傳或普通遺傳算法進(jìn)行逆問(wèn)題優(yōu)化計(jì)算，在給定目標(biāo)溫度分布下，優(yōu)化電極驅(qū)動(dòng)電壓和極板的位形參數(shù)，最終使得遺傳優(yōu)化算法得出溫度目標(biāo)函數(shù)接近0的結(jié)果，這樣就達(dá)到了經(jīng)正問(wèn)題求解所得計(jì)算溫度分布盡可能接近于預(yù)定目標(biāo)溫度分布。
在優(yōu)化求解時(shí)，優(yōu)化權(quán)重因子λ1和λ2的選取較為重要。原則上來(lái)說(shuō)，對(duì)腫瘤組織加熱和避免正常組織的過(guò)熱是一對(duì)矛盾，反映到優(yōu)化求解時(shí)即是多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。若λ1和λ2取相近值，則優(yōu)化過(guò)程十分緩慢，幾乎難以得到較好的結(jié)果。因此λ1和λ2孰輕孰重需視優(yōu)化目標(biāo)而定。本發(fā)明的場(chǎng)合，優(yōu)化權(quán)值比λ1/λ2取8至14范圍值時(shí)優(yōu)化結(jié)果較好。
以上實(shí)例是本發(fā)明的典型應(yīng)用技術(shù)效果。本發(fā)明雖然假定血流灌注率不隨溫度變化，若血流灌注率隨溫度而變化，本發(fā)明的優(yōu)化思想和主要算法仍然適用。本發(fā)明提出的這項(xiàng)生物體內(nèi)溫度場(chǎng)的重構(gòu)和優(yōu)化控制技術(shù)的推廣應(yīng)用將為熱療裝置設(shè)計(jì)和臨床方案制定開(kāi)辟新途徑。
權(quán)利要求
1.一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電容射頻熱療裝置的深部熱場(chǎng)優(yōu)化的控制方法，包括下列步驟(1)將斷層組織影像膠片數(shù)字化后的圖像信息輸入到計(jì)算機(jī)中；(2)用具有處理圖像信息功能的程序處理上述圖像信息從而獲得斷面簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型的有限元剖分圖像信息，并將其存儲(chǔ)于存儲(chǔ)裝置中；(3)將預(yù)定靶區(qū)加熱的目標(biāo)溫度分布數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)裝置中；(4)將電容射頻熱療裝置的加熱物理參數(shù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)裝置中；(5)依據(jù)上述有限元剖分和加熱物理參數(shù)進(jìn)行正問(wèn)題求解，獲得計(jì)算溫度分布的數(shù)據(jù)；其特征在于，它還包括以下步驟(6)依據(jù)上述的計(jì)算溫度分布和目標(biāo)溫度分布的數(shù)據(jù)求解得到溫度目標(biāo)函數(shù)；(7)依據(jù)上述溫度目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值進(jìn)行如下選擇若該數(shù)值不接近0，則采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，修正加熱物理參數(shù)，并返回步驟(4)，進(jìn)行循環(huán)處理。若該數(shù)值接近0，則將上述步驟(4)中所述的加熱物理參數(shù)作為電容射頻裝置的深部熱場(chǎng)最優(yōu)加熱物理參數(shù)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容射頻熱療裝置深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制方法，其特征在于所述的遺傳算法包括下列步驟(a)、隨機(jī)選擇五個(gè)個(gè)體或四個(gè)個(gè)體再連同上一代的最佳個(gè)體，構(gòu)成新一代種群；(b)、計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)性，將最佳個(gè)體標(biāo)為個(gè)體5直接送入下一代，以保證遺傳信息不丟失；(c)、其余個(gè)體根據(jù)竟賽規(guī)則進(jìn)行繁殖，最佳個(gè)體也參與競(jìng)爭(zhēng)，并且避免近親繁殖；(d)、種群中選出的個(gè)體以一定概率進(jìn)行交配；(e)、根據(jù)檢測(cè)種群是否收斂，作如下選擇若收斂轉(zhuǎn)至步驟(b)，進(jìn)行循環(huán)處理；若不收斂，則執(zhí)行下一步驟；(f)、依據(jù)迭代代數(shù)的數(shù)值作如下選擇若該數(shù)值小于允許的最大代數(shù)，則返回步驟(a)，進(jìn)行循環(huán)處理；若該數(shù)值等于或大于允許的最大代數(shù)，則完成遺傳算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容射頻熱療裝置深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制方法，其特征在于所述的種群交配后，進(jìn)行變異。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容射頻熱療裝置深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制方法，其特征在于所述溫度目標(biāo)函數(shù)的算法采用如下方式表達(dá)J=∫ΩλFT[T(φ)]dΩ]]>式中φ為待優(yōu)化的邊界電位分布，Ω為優(yōu)化求解的有限元剖分區(qū)域，λ為目標(biāo)函數(shù)中對(duì)應(yīng)不同剖分區(qū)域的優(yōu)化權(quán)重；FT為溫度目標(biāo)函數(shù)，包含腫瘤組織的溫度目標(biāo)函數(shù)FT1和正常組織的溫度目標(biāo)函數(shù)FT2兩部分溫度目標(biāo)函數(shù)FT的積分離散為如下形式∫ΩFT[T(φ)]dΩ=λ1Σi=1N1FT1[Ti(φ)]+λ2Σj=1N2FT2[Tj(φ)]]]>式中N1為需要加熱的腫瘤組織節(jié)點(diǎn)數(shù)，N2為應(yīng)避免過(guò)熱的正常組織節(jié)點(diǎn)數(shù)，T1和T2分別為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)溫度，λ1和λ2分別為腫瘤組織和正常組織的優(yōu)化權(quán)重。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電容射頻熱療裝置深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制方法，其特征在于所述腫瘤組織和正常組織的優(yōu)化權(quán)重之比λ1/λ2為8～14。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電容射頻熱療裝置深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制的方法。該方法使用基于人體斷層掃描的組織結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)預(yù)定腫瘤組織靶區(qū)加熱溫度和避免正常組織過(guò)熱要求,引入目標(biāo)函數(shù)和有關(guān)權(quán)重系數(shù),通過(guò)遺傳算法迭代修正加熱物理參數(shù),使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極小值,獲得達(dá)到理想熱場(chǎng)分布所需加熱物理參數(shù)。該方法對(duì)腫瘤熱療臨床方案的制定、實(shí)施和電容射頻熱療裝置設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。
文檔編號(hào)A61B18/12GK1331954SQ01129558
公開(kāi)日2002年1月23日 申請(qǐng)日期2001年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月27日
發(fā)明者萬(wàn)柏坤, 程曉曼, 朱欣 申請(qǐng)人:天津大學(xué)