基于MCU和FPGA的热疗系统控温仪设计

针对目前国内外肿瘤灌注热疗技术应用中存在的温度的监测在线可控性差的问题,设计了一种用于膀胱肿瘤灌注热疗设备的温度实时监测控制系统,该系统结合FPGA和MCU技术联合开发,增强了系统的实时性和控制性.     

肿瘤热疗超声无创监测技术研究进展

 肿瘤热疗是用加热方式杀死癌细胞,已成为肿瘤治疗的一种重要手段.肿瘤热疗分为传统热疗(41～45℃)和热消融治疗(>60℃).在肿瘤热疗中,对治疗区组织温度及热凝固区进行无创测控是保证热疗安全和提高疗效的关键,本文综述肿瘤热疗超声无创测温及热凝固区检测技术的研究进展.超声无创测温主要基于声速和热膨胀、超声衰减系数、背向散射能量、B 超图像纹理等参数的温度相关性.热凝固区超声检测主要基于超声组织定征技术,包括Nakagami 统计模型、超声衰减、超声背向散射积分、超声弹性成像、组织散射子平均间距、次谐波低频声发射等.提出了肿瘤热疗超声无创监测技术的未来发展方向,包括监测精度验证方法的研究、针对组织个体差异自适应调整参数的研究、减少组织运动干扰的方法研究、多维多参数监测方法研究、实时计算技术的研究及肿瘤热疗实验数据共享中心的建立.     

基于嵌入式系统的膀胱肿瘤热灌注治疗仪

研制了一种用于膀胱肿瘤治疗的药液循环灌注控温治疗仪.文中首先介绍了膀胱肿瘤热疗的原理与国内外研究现状,然后构建了以膀胱杯模拟人体膀胱的治疗仪仿真系统,并基于嵌入式微控制器进行了治疗仪控制系统的硬件设计,进而给出了治疗仪控制系统的软件设计,包括基于μCOS-II的软件架构设计、温度检测与控制等应用软件模块设计、基于μCGUI的图形人机界面设计.最后,阐明了治疗仪仿真系统硬件测试和软件调试的步骤与方法,并指出了后继工作值得注意的问题.     

一种用于肿瘤热疗的温度监测和功率选择方法

采用Green函数法,获得了对具有任意空间热源项的Pennes生物传热方程的解析解,并给出基于肿瘤杀伤温度及皮表烧伤极限要求而优化热疗参数的措施.从临床实用性出发,给出利用体表温度信息监测体内温度场的关系式.对各种参数的影响研究表明了实现优化加热的可行性.该方法有助于建立无损的肿瘤热疗系统.     

射频电容热疗温度场的参数优化研究

根据高温治癌中对肿瘤组织靶区加热温度和避免正常组织过热的要求,引入加热治疗目标函数和有关权重系数,应用有限元法求解电磁场方程和生物传热方程,通过遗传算法迭代修正加热物理参数,使目标函数达到极小值,获得达到热疗理想热场分布的优化解.以两电容射频热疗装置为例,使用基于人体X光断层扫描的非均质组织模型,经仿真计算获得了较满意的优化结果.这种人体内温度场优化控制方法将对肿瘤热疗学研究有重要的科学意义和应用价值.     

基于电磁加热效应的恶性肿瘤治疗

介绍了常规恶性肿瘤的治疗方法及其特点,重点阐述了肿瘤热疗的原理和现有的热疗方法。肿瘤热疗的核心问题是在有机体内定点、定域和可控地造成温度场(即只在恶性肿瘤范围内加热,不损伤周边正常组织),温度场对肿瘤组织的作用是宏观的,热力学的,在温度场内的所有细胞均受到作用。现有的肿瘤热疗方法难以做到定点定域加热。借鉴工业电磁加热技术,重点探讨了通过电磁加热效应实现定点定域,从而用于恶性肿瘤治疗的可行性和治疗技术路线。     

小鼠肝肿瘤激光间质热疗损伤区域MRI研究

为了更好地选择用于治疗肝肿瘤的激光间质热疗剂量,通过体外培养肝肿瘤细胞H22,建立小鼠皮下移植肝肿瘤模型,采用4组功率（1.2/1.4/1.9/2.1 W）激光在相同加热时间（600 s）下进行肿瘤激光热疗,并于术前、术后进行磁共振扫描,观察小鼠肝肿瘤经热疗后的损伤区域磁共振成像（MRI）的变化情况.结果表明：激光热疗过程中肿瘤组织加热中心的温度随加热时间的延长而上升,且激光功率越大,温度上升幅度越大;4组功率热疗后,肿瘤内部均呈现明显的凝固坏死区域,肿瘤内部损伤区域大小和位置在MRI图中清晰可辨,与周围未发生损伤的组织边界明显;1.2/1.4/1.9 W组损伤区域较小,2.1 W组损伤区域明显较其他3组大.研究发现：不同激光功率下激光间质热疗对小鼠肝肿瘤均有治疗效果,2.1 W组效果明显;MRI对热疗损伤区域的变化情况有理想的评估价值.     

超声热疗的现状与应用

 超声热疗是利用生物组织吸收超声波能量使自身温度升高的特性,通过高温致死病变组织或低温促使病变组织康复的热疗技术.该热疗具有微创、安全、高效等特点.利用高温致死病变组织的高强度聚焦超声已应用于子宫肌瘤、乳腺肿瘤、前列腺肿瘤、肝肿瘤等的临床治疗,在脑肿瘤及神经系统疾病方面尚处于临床应用研究阶段.低强度超声的低温升热疗对于产后出血治疗和神经组织愈合等有较好疗效.本文综述高强度聚焦超声和低强度超声热疗技术的发展、现状及应用.     

光纤光栅医疗多点温度监测系统的研究

热疗是一种新型治癌方法,其关键是组织内温度的测量。本文针对医疗行业的需要和热疗特点,采用先进的光纤传感技术研制开发了新型光纤光栅医疗多点温度监测系统,该传感系统包括光纤光栅医用温度传感器和光纤光栅多点温度监测仪,可对热疗过程中人体组织温度进行实时监测。测试结果表明该系统具有精度高、分辨率高、可靠性高、抗电磁干扰、传感器体积小等优点。     

计算机图形学在肿瘤热疗中的应用

热疗中热场（比吸收率和温度）分布形态是检验其装置优劣和能否获得较好疗效的主要依据,借助于计算机图形学,用模拟计算方法来预测热区的ＳＡＲ和温度分布,以研究并优选加热场形态,对指导热疗装置的研制和临床热疗方案的选择有重要的实际意义。本文仅以腔道肿瘤热疗和射频容性势疗为例,介绍计算机 形学在肿瘤势疗的势场分布研究中的应用。     

Effect of local hyperthermia induced by nanometer magnetic fluid on the rabbit VX2 liver tumor model

Hyperthermia induced by magnetic nanoparticles is a recent therapeutic approach for local targeting of hyperthermia and thermoablation and is a promising treatment of malignant tumors.The purpose of this study is to evaluate the potential and therapeutic effect of magnetic fluid hyperthermia on the rabbit VX2 liver tumor model.Rabbits bearing liver tumors 14 days after tumor implantation were randomly divided into five groups of 10 cases each,including three control groups and two hyperthermia groups.Hyperthermia was carried out immediately after a single intratumoral injection of uncoated water-based Fe3O4 magnetic fluid under an alternating magnetic field only once as one hyperthermia group and repeated hyperthermia after 5 days as the other treated group.The distribution of magnetic fluid was evaluated by CT scanning.All animals were sacrificed 4 weeks after tumor implantation.The therapeutic effect was determined by tumor size and macroscopic and pathological examination of the liver tumor.The local higher density imaging of intratumoral magnetic fluid deposits compared to the surrounding tissue was clearly observed by CT scanning.Twenty-eight days after tumor implantation,the tumor maximal diameter and tumor volume of two hyperthermia were both significantly less than those of control groups (P＜0.05).Tumor volume inhibition by single or repeated hyperthermia compared to the three control groups was 71.93-79.91% and 92.34-94.46% (P＜0.05),respectively.Under a microscope,coagulation necrosis was observed in the heated area,which had a clear boundary line with the surrounding tissue.The intratumoral distribution of magnetic nanoparticles,especially in the area of necrosis,appeared much more homogenous than in the untreated ones.This study demonstrates that hyperthermia induced by direct intratumoral injection of magnetic fluid can be used safely,and a well-homogenized distribution of high intratumoral temperature without heating adjacent to normal tissue can be achieved.     

磁热耦合下不同注射方式对温度场的影响

磁流体热疗是具有生物相容性的磁性纳米流体注射到靶向肿瘤组织,通过施加交变磁场使注射区域升温达到杀死肿瘤组织目的。热疗期间的温度分布是磁热疗的关键因素,它直接影响了治疗效果。为分析不同注射方式对治疗效果的影响,本文采用有限元方法,建立磁热耦合模型,分析亥姆霍兹线圈产生磁场的均匀性,讨论了不同电流大小对磁场强度以及温度分布的影响。为了提升治疗效果,分析了不同注射方式对温度分布的影响,并以有效治疗体积这一参数较好的量化了治疗效果。结果表明：亥姆霍兹线圈作为磁场发生装置产生的磁场均匀性较高,不均匀度偏差在1%以内,通入线圈的电流每增加1A,磁场强度增加195.3 A/m;外加磁场条件相同,采用中心点注射时,组织内的温度最高为49.8℃,有效治疗体积最大为1 156.4 mm3,效果最好;调节外加磁场,使组织内最高温度保持48℃时,采用多点注射时有效治疗体积最大为1 530.7 mm3,治疗效果最好。因此,采用多点注射技术可以使治疗区域温度分布较为均匀,达到更好的治疗效果。     

Temperature monitoring and heating optimization in cancer hyperthermia

A closed form analytical solution to the Pennes' equation with random heating was obtained using the Green s function method. To meet the requirements for the tumor killing temperature and the skin bum threshold, an approach to optimize the cancer hyperthermia parameters was proposed. For clinical practices, a solution to reveal the relationship between skin surface temperature and the transient temperature inside the tissue was obtained. Parametric study shows the feasibility of the heating optimization. The present approach can be incorporated in the apparatus to es¬tablish a noninvasive hyperthermia system.     

磁感应热疗联合125I籽源近距离放疗研究

 磁感应热疗植入合金热籽与放射籽源在尺度上处于同一水平,当热籽和放射籽源同时植入肿瘤组织,热场和辐射将共同作用于肿瘤细胞,提高肿瘤细胞的杀灭作用.本文应用电磁学理论计算射频磁场中热籽和放射籽源的产热功率.并将不同分布的热籽和放射籽源置于磁感应设备射频磁场中,调节磁场参数,观察不同条件下的温升曲线.同时研究了放射籽源在磁感应射频磁场下的升温情况以验证放射籽源的安全性,以及合金热籽与放射籽源混合排布情况下的升温情况以验证联合治疗的有效性.理论计算和实验结果表明,放射籽源在磁感应治疗射频磁场下(50~500kHz)磁热效应不显著,其用于热放疗的安全性得到验证.将放射籽源与热籽混合植入琼脂体模和离体肌肉组织,在介质植入区域内温度均远超过43℃,可实现植入区域内热疗对放疗的增敏作用.     

带Smith预估器的模糊PID组织温度控制系统

针对激光热疗法中组织温度模型的纯滞后和大惯性,提出一种新颖的带Smith预估器的模糊PID控制系统.模糊PID控制器是由一个简单的模糊PI控制器和一个简单的模糊PD控制器并行结合而成.模糊PID控制器的增益通过解析推导与线性PID控制器的增益相联系.设计好的线性PID控制器的增益可用于在线设计模糊PID控制器.计算机仿真结果表明模糊控制系统在组织温度控制中比对应的线性PID控制系统鲁棒.     

Parameter optimization of temperature field in RF-capacitive hyperthermia

To realize a certain target temperature distribution in tumor tissues and avoid over-heating in normal tissues in radio frequency (RF)-capacitive hyperthermia, an objective function and some weight coefficients are introduced. Then using the 2-D finite element method, the electromagnetic and bio-heat transfer equations are solved, and using the genetic algorithm the heating configurations are recursively modified to minimize the objective function. Finally an optimum solution of the expected heating field distribution in hyperthermia is achieved. And with a human heterogeneous tissue model extracted from X-ray CT images, satisfactory optimization results are obtained in the simulations on a biplate RF-capacitive hyperthermia device. This optimization technique for controlling the body temperature field has shown scientific importance and practical values in the research of hyperthermia.     

一种射频组织间肿瘤透热治疗系统及其计算机模拟

本文设计并制定了一套工作频率为０．５ＭＨｚ的射频组织间透热治疗系统，包括功率源电路、测温电路和控温电路三大部分。用计算机实时控制方法在脑肿瘤的生物模拟材料上进行了实验，证明本系统工作正常，性能可靠。同时还利用阻抗法在ＥＬＸＳＩ６４００超级小型计算机上对该系统作了计算机模拟，为今后在病理实验和临床应用中的布针结构及其可靠性工作提供了理论依据。