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结合血管传热及微波辐照式加热的高效全身热疗方法研究

作　者: 贾得巍
导　师: 刘静
学　校: 清华大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 全身热疗 房室模型 介入式加热 微波辐照加热 选择性加热
分类号: R730.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 49次
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内容摘要


全身热疗有望在晚期和扩散型肿瘤的治疗中发挥重要作用,相应临床手术的实施需要发展安全高效的全身热疗装备、对热效能和生物效应进行量化评估以及研制相应治疗计划软件来指导热剂量的精确给定。为此,本文结合微波辐照的空间加热特性及血管快速高效的热传递特性,提出并探索了新型高效全身热疗方法的基础与应用问题。针对微波辐照的疗效特性,采用2450MHz微波的体外辐照建立了小鼠全身热疗方法,通过对B16-F10的肺转移模型荷瘤小鼠进行全身热疗,并与化疗和联合治疗进行对比,结果显示了全身热疗的优越性。同时检定瘤内Hsp70等生化和免疫因子表达,提出全身热疗对黑色素瘤起到抑制性的信号通路。从房室模型出发,针对移动式微波全身热疗系统从微波发射到电磁吸收并诱发人体全身温度响应的过程,采用Maxwell方程建立微波传播和人体热吸收耦合计算模型解决人体电磁吸收问题,通过电磁比吸收结合全身热疗中的关键因素对已有三例患者的热疗数据进行评估,提出了可用于临床全身热疗的温度预示和数据监控方法。为评估全身热疗和局部热疗过程中的局部热区及系统温度响应,建立了自适应精度跨尺度模型,提出用于热性能评估的后处理参数。提出以对流热密度为标准进行选择性辐照和选择性血管传热的加热方式,并以减轻创伤、增加效率为原则提出现有热疗方式系列改进措施。以微波选择性辐照为目标,提出基于富血管区域进行选择性可穿戴式加热的技术并设计了相应的自适应算法。以血管空间加热为目标,设计一套基于微波血管内介入式全身热疗装置。以本装置为平台,对介入式全身热疗的穿刺操作血管选择进行考察并得到相应穿刺原则。进一步提出基于体模型的热学假人系统,可对热传导、对流、代谢产热、辐射及出汗四大关键热机制进行物理性模拟。为实现对介入式全身热疗的温度特性进行模拟仿真,论文研制开发出一套基于Matlab和C#.Net联合编程平台的全身热疗计划软件,并得到意义明确的性能参数指导临床操作。文章最后通过高性能全身热疗装备的案例剖析可供进一步医疗装备产品商业化的市场、营销和财务分析。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-16
第1章 引言  16-23
  1.1 问题的提出  16-17
  1.2 选题背景及意义  17-21
    1.2.1 癌症——全球第一号健康杀手  17-18
    1.2.2 肿瘤全身热疗的概念及研究意义  18
    1.2.3 肿瘤全身热疗研究现状  18-19
    1.2.4 研究基于空间加热效应的血管介入式全身热疗的意义  19-21
  1.3 研究目标及预期成果  21
  1.4 论文结构安排  21-23
第2章 全身热疗的进展综述  23-56
  2.1 全身热疗治疗癌症的机理研究  23-26
    2.1.1 免疫反应增强  24
    2.1.2 细胞分化影响  24
    2.1.3 肿瘤细胞生物化学变化  24-25
    2.1.4 肿瘤组织微生物环境恶化  25-26
  2.2 全身热疗临床研究进展  26-27
  2.3 机体热吸收路径与全身热疗装备设计原则  27-30
  2.4 辐射型全身热疗装置  30-41
    2.4.1 辐射理论及共同特性  30-33
    2.4.2 射频  33-35
    2.4.3 微波  35-36
    2.4.4 近红外辐射  36-40
    2.4.5 远红外辐射  40-41
  2.5 对流方法  41-45
    2.5.1 体外循环方法  41-43
    2.5.2 介入式全身热疗  43-45
  2.6 机体表面直接接触传热法  45-47
  2.7 生物刺激引发的生物机体产热  47-48
  2.8 现有热疗方法总揽  48-49
  2.9 全身热疗中的温度响应问题  49-50
    2.9.1 描述全身热疗的数学模型  49-50
    2.9.2 全身热疗中的温度检测  50
  2.10 热剂量控制与测温测量  50-52
    2.10.1 热电偶测温  50-51
    2.10.2 红外测温  51
    2.10.3 MRI 测温  51-52
  2.11 可用于新一代全身热疗的潜在机制  52-53
  2.12 全身热疗的现状评估  53
  2.13 发展前景及方向  53-54
  2.14 全身热疗的关键点  54-56
第3章 微波辐射全身热疗对B16-F10 小鼠肺转移的抑制  56-77
  3.1 导言  56
  3.2 材料  56-57
    3.2.1 材料及试剂  56-57
    3.2.2 主要仪器  57
    3.2.3 实验动物  57
  3.3 方法  57-62
    3.3.1 小鼠黑色素瘤细胞B16-F10 人工肺转移模型的建立  57-58
    3.3.2 动物分组及治疗方法  58
    3.3.3 治疗方法  58-60
    3.3.4 肺转移结节数计算  60
    3.3.5 HE 染色的操作  60
    3.3.6 免疫组织化学检测肿瘤组织中PCNA、Cyclin D1 及ICAM-1 含量  60-61
    3.3.7 流式  61
    3.3.8 Western blot 热休克蛋白检测  61-62
    3.3.9 统计分析  62
  3.4 结果  62-69
    3.4.1 几种疗法对小鼠健康状态影响  62-63
    3.4.2 全身热疗及联合治疗对肺转移的抑制  63-64
    3.4.3 肺组织H-E 染色及病理研究  64-66
    3.4.4 流式细胞仪检测CD4~+，CD8~+和NK 细胞分群  66-67
    3.4.5 免疫组化技术检测ICAM-1，PCNA 和Cyclin D_1  67-68
    3.4.6 Western blot 分析Hsp70，Hsp90 和CHIP 的表达  68-69
  3.5 讨论  69-75
  3.6 小结  75-77
第4章 移动式微波全身热疗的理论模型与温度预示  77-89
  4.1 导言  77
  4.2 移动热源式全身热疗原理及理论建模  77-82
    4.2.1 微波的组织热吸收原理  77-78
    4.2.2 微波功率发射及传播远场  78-80
    4.2.3 微波传播理论  80-82
  4.3 基于多房室异质参数的全身温度响应模型  82-83
  4.4 结果与讨论  83-88
    4.4.1 热疗效果计算结果与升温特性评估  83-85
    4.4.2 体表温度及红外热图像评估  85-88
  4.5 小结  88-89
第5章 全身热疗中局部加热引发全身热响应的多尺度问题研究  89-117
  5.1 导言  89-90
  5.2 数学表达  90-94
    5.2.1 全身尺度的系统级热模型  90-92
    5.2.2 基于温度偏差信号的人体体温反馈调节系统  92-93
    5.2.3 组织尺度的Pennes 生物传热方程  93-94
    5.2.4 通过辐射电磁源进行空间的加热源项  94
  5.3 求解方法  94-99
    5.3.1 初始条件  94
    5.3.2 ROI 选择  94-95
    5.3.3 两类多尺度仿真模型的计算流程及实施步骤  95-97
    5.3.4 仿真模型1：带有房室细节的热源分布特性  97-98
    5.3.5 仿真模型2：高精度温度分布计算  98-99
  5.4 后处理参数的定义  99-103
    5.4.1 综合升温指数  100
    5.4.2 升温均一指数  100
    5.4.3 最高升温幅度和温度增量体积  100-101
    5.4.4 温度适形系数  101-102
    5.4.5 后处理性能参数的应用  102-103
  5.5 结果与讨论  103-116
    5.5.1 仿真模型1  103-110
    5.5.2 仿真模型2  110-116
  5.6 小结  116-117
第6章 富血管区域体表外无损实施全身热疗评估  117-142
  6.1 导言  117-118
  6.2 对富含大血管区域进行体外辐射加热  118-122
    6.2.1 大血管对流热效应  118-120
    6.2.2 对流热源的热路分析  120-122
  6.3 全身性血管对流换热  122-127
    6.3.1 直接升温区域的选择标准  122-124
    6.3.2 直接加热区域的热吸收单元  124
    6.3.3 外部热源处理  124-125
    6.3.4 组织与毛细血管间的对流热传导  125
    6.3.5 大血管热传导  125-127
    6.3.6 求解方法  127
  6.4 结果与讨论  127-135
    6.4.1 手足外部辐射加热的系统热响应  128-130
    6.4.2 富血管区域的选择性同步辐射  130-131
    6.4.3 辅以体表降温进行的外部血液辐射加热  131-133
    6.4.4 介入式全身热疗创伤性的降低  133-135
  6.5 选择性加热原理及设计  135-136
  6.6 选择性加热的可穿戴式装置设计  136-139
    6.6.1 可穿戴式设计的电源模块  136-137
    6.6.2 可穿戴式设计的附着物模块  137-138
    6.6.3 可穿戴式设计的辐射传输线技术  138-139
  6.7 基于富血管区域加热的全身热疗自适应阵列优化算法  139-140
  6.8 小结  140-142
第7章 微波介入式全身热疗装备的研制  142-159
  7.1 导言  142
  7.2 微波介入式全身热疗系统结构  142-144
  7.3 传输线特性  144-145
  7.4 释能微波介入式探针设计  145-147
  7.5 系统升温特性测量  147-149
    7.5.1 升温评估平台结构  147-148
    7.5.2 微波介入式全身热疗系统评估结果  148-149
  7.6 加热段血管的选择：流速的影响  149-151
  7.7 全身热疗评测平台的改进方案  151-157
    7.7.1 热学假人应用现状  151-152
    7.7.2 热学假人原理  152
    7.7.3 假人设计  152-155
    7.7.4 实体型热学假人的优点  155-156
    7.7.5 基于实体热传导的热学假人展望  156-157
  7.8 小结  157-159
第8章 介入式全身热疗计划软件的研制  159-172
  8.1 导言  159-160
  8.2 方法与理论  160-162
    8.2.1 后处理评估  160-161
    8.2.2 身体参数  161-162
  8.3 基于COM 组件与C#平台的系统架构及关键技术  162-166
    8.3.1 COM 组件技术  162-163
    8.3.2 系统架构  163-164
    8.3.3 C#窗体通讯  164-165
    8.3.4 文件操作和报表生成  165-166
    8.3.5 基于Solidworks API 的前处理可视化  166
  8.4 软件运行流程  166-169
    8.4.1 并行伺服流程  167-168
    8.4.2 软件VI 系统  168-169
  8.5 测试结果  169-170
  8.6 讨论  170-171
  8.7 小结  171-172
第9章 高性能全身热疗装备的市场化路径  172-177
  9.1 导言  172
  9.2 癌症医疗装备的市场情况  172-174
    9.2.1 市场规模巨大  172-173
    9.2.2 市场成长性极高  173-174
  9.3 市场定位和推广策略  174
    9.3.1 市场定位  174
    9.3.2 推广策略  174
  9.4 发展规划  174-175
    9.4.1 第一阶段  174-175
    9.4.2 第二阶段  175
    9.4.3 第三阶段  175
  9.5 风险分析  175
  9.6 发展战略  175-177
    9.6.1 引入战略合作  176
    9.6.2 转让部分技术  176
    9.6.3 建立政府关系  176-177
第10章 结论  177-181
  10.1 论文主要工作  177-178
  10.2 论文及创新点  178-179
  10.3 需进一步开展的工作  179-181
    10.3.1 采用活体成像方法进行小鼠转移瘤的生长评估  179
    10.3.2 基于微波加热的全身热疗装备控制系统开发  179-180
    10.3.3 理论模型及热疗软件的完善和结合  180
    10.3.4 基于生物制造的热学假人建造  180-181
参考文献  181-207
致谢  207-208
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  208-209

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中图分类: > 医药、卫生 > 肿瘤学 > 一般性问题 > 肿瘤治疗学
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