一种基于COMSOL的蒸汽消融三维温度场仿真方法

一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法
技术领域
1.本发明属于有限元仿真领域，特别涉及一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法。


背景技术：

2.经皮热消融是一种基于热量的微创治疗方式，该技术在近30年来发展迅速，在临床中得到了广泛的应用。其具体的治疗原理为：将针状消融设备经皮肤穿刺到肿瘤组织中，通过产生高温，从而使肿瘤细胞失活。根据所使用能量的类型，常见的经皮热消融主要包括：射频消融，微波消融，激光消融。射频、微波与激光消融通过产生高温(60℃以上)使肿瘤凝固性坏死。具体地，射频消融的电极在组织中产生交变电场，使组织中的离子震荡产生热量；微波消融利用微波使组织中水分子震荡产生热量；激光消融依靠组织吸收特定波长的光产生热量。
3.研究表明，当肿瘤细胞所处的温度达到50℃左右时，细胞开始出现热损伤，55℃时胶原蛋白出现变性，60℃以上时细胞内的重要结构如线粒体、rna遭到破坏，肿瘤细胞开始坏死。但是射频、微波与激光消融在临床应用中，消融中心区域的组织会在达到一定温度后形成碳化(出现焦黑色蜂窝状组织)，如肝组织在超过130℃后会发生碳化。这些碳化的成分会阻碍天线的热传导，从而限制凝固区的区域。此外，在脾脏等一些器官的微波消融过程中，拔针过程中碳化组织对周边组织的挤压和撕脱会导致出血。碳化成分也会引起病人术后全身炎症反应以及高烧等副作用。
4.对于大肝癌、多发性肝癌以及位于大血管或胆管旁、肠道或胆囊旁、膈顶部等特殊风险部位肿瘤具有一定风险，甚至会威胁患者生命。常见较严重并发症包括针道出血(腹腔或胆道出血)、消融灶感染、胆道损伤胆汁瘤形成或阻塞性黄疸、肠道和胆囊等空腔脏器损伤穿孔伴重度腹膜感染、急性肾功能不全、大量胸腔积液、气胸等。一般并发症包括短期肝区疼痛、持续时间少于3周的低热、皮肤烫伤、肿瘤周围残留、皮下硬结、脂肪液化等。目前射频、微波与激光消融无法实现无碳化消融。蒸汽消融通过以高温蒸气为直接热源，在理论上可以实现无碳化消融，但其缺乏相关的仿真数据研究，难以制定消融手术方案。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法，其可利用病人术前影像数据，建立三维有限元仿真模型，计算消融热场，指导蒸汽消融手术方案的确定。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法，包括以下步骤：
8.步骤1：基于comsol多物理场仿真软件，选定工作平面画出消融针结构图，构建三维消融针仿真几何模型；
9.步骤2：对消融针仿真几何模型中的计算域设定材料和参数，其中设定材料的种类
包括：肝脏，蒸汽，不锈钢，真空；
10.步骤3：构建耦合层流模型及生物传热模型；
11.步骤4：根据步骤3构建的耦合层流模型及生物传热模型，依据设定的蒸汽温度和速度对消融针仿真几何模型划分网格，设定求解器求解方法；
12.步骤5：对求解得到的仿真数据进行可视化处理，得到温度场分布数据。
13.优选的，所述步骤1的具体过程是：
14.步骤11：基于comsol多物理场仿真软件搭建肝脏的二维轴对称模型；
15.步骤12：在comsol多物理场仿真软件的工作平面上建立二维轴对称消融针结构图，旋转结构图得出三维消融针仿真几何模型，将三维消融针仿真几何模型内的不锈钢、真空、蒸汽保留为计算域；
16.三维消融针仿真几何模型包括：真空管空腔(1)、真空管金属层(2)、真空管真空层(3)、针头内空腔(4)、针头出气孔(5)、针尖(6)、肝脏(7)；
17.所述真空管金属层(2)设于所述真空管空腔(1)内，所述针头内空腔(4)焊接于真空管空腔(1)的一端，所述针头内空腔(4)的另一端设有针尖(6)，且所述针头出气孔(5)开设于所述针头内空腔(4)的一侧；
18.且所述肝脏(7)设定为生物组织，真空管金属层(2)和针尖(6)设定为固体，真空管真空层(3)内流动的蒸汽设定为流体。
19.优选的，所述步骤2的具体过程是：
20.设定肝脏的比热容c，热导率k，密度ρ分别为：
[0021][0022][0023][0024]
优选的，所述步骤3的具体过程是：
[0025]
步骤31：蒸汽在三维消融针仿真几何模型内的耦合层流模型为：
[0026][0027]
其中，u是流体速度，p是流体压力，ρ
l
是流体密度，μ是流体动力黏度，f是作用在流体上的外力，i为单位张量；
[0028]
步骤32：将层流域选定为：所述真空管空腔(1)、针头内空腔(4)以及针头出气孔(5)，定义输入三维消融针仿真几何模型的蒸汽的压力和速度；
[0029]
步骤33，生物传热模型为：
[0030][0031]
其中ρ是单位质量内能，e是速度矢量，v是速度大小的平方，v^2是传导热通量矢量，q是密度，σ是总应力张量，f
p
是单位质量的体力；
[0032]
步骤34，将生物传热域选定为整个三维消融针仿真几何模型以及肝脏(7)，定义输入三维消融针仿真几何模型的蒸汽的温度。
[0033]
优选的，所述步骤4的具体过程是：
[0034]
步骤41，依据层流模型和生物传热模型中设定的温度、压力划分有限单元网格，观察网格划分结果，若存在低质量网格，则进行局部再细分，最终得到构建的有限元模型；
[0035]
步骤42，进行时域研究，以直接求解器的方法求解。
[0036]
有益效果：
[0037]
本发明可以对病人建立三维有限元仿真模型，并采用动态生物材料参数计算得出温度场分布，得出与真实消融过程高度一致的预测模型，可仿真消融针不同穿刺路径的消融效果用以指导手术计划，有助于手术方案的确定。
附图说明
[0038]
图1是本发明的流程图；
[0039]
图2是本发明构建的消融针结构图；
[0040]
图3是本发明构建的几何模型图；
[0041]
图4是本发明有限元模型图；
[0042]
图5是本发明仿真结果，显示为2mpa，100m/s，600s消融剂量下三维仿真结果；
[0043]
图6(a)是本发明仿真结果，显示为2mpa，100m/s，600s消融剂量下，肿瘤切面温度场分布图；
[0044]
图6(b)是本发明仿真结果，显示为2mpa，100m/s，600s消融剂量下，肿瘤切面温度场及其60℃等温线范围图；
[0045]
图7(a)是本发明仿真结果，显示为2mpa，100m/s，900s消融剂量下，肿瘤切面温度场分布图；
[0046]
图7(b)是本发明仿真结果，显示为2mpa，100m/s，900s消融剂量下，肿瘤切面温度场及其60℃等温线范围图。
[0047]
图中：真空管空腔(1)、真空管金属层(2)、真空管真空层(3)、针头内空腔(4)、针头出气孔(5)、针尖(6)、肝脏(7)。
具体实施方式
[0048]
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
[0049]
如图1所示，本发明提供一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法，包括以下步骤：
[0050]
(一)在多物理场仿真模块中搭建肝脏模型，画出消融针结构图，构建仿真几何模型；
[0051]
1)基于comsol搭建肝脏的二维轴对称模型；
[0052]
2)在comsol工作平面上建立二维轴对称消融针模型，旋转得出三维消融针几何模型，构建的几何模型如图3所示，消融针内的不锈钢、真空、蒸汽保留为计算域。如图2所示，本仿真模型的具体组成如下：
[0053]
(1)
‑‑‑‑‑‑‑
真空管空腔
[0054]
(2)
‑‑‑‑‑‑‑
真空管金属层
[0055]
(3)
‑‑‑‑‑‑‑
真空管真空层
[0056]
(4)
‑‑‑‑‑‑‑
针头内空腔
[0057]
(5)
‑‑‑‑‑‑‑
针头出气孔
[0058]
(6)
‑‑‑‑‑‑‑
针尖
[0059]
(7)
‑‑‑‑‑‑‑
猪肝
[0060]
(二)对模型中计算域设定不同材料及参数，其具体材料种类分为：肝脏，蒸汽，不锈钢，真空；
[0061]
1)设定肝脏/肿瘤的比热容c，热导率k，密度ρ分别为：
[0062][0063][0064][0065]
(三)构建耦合层流模型及生物传热模型；
[0066]
1)蒸汽在消融针内的流动方程遵循的维纳-斯托克斯方程为：
[0067][0068]
其中，u是流体速度，p是流体压力，ρ
l
是流体密度，μ是流体动力黏度，f是作用在流体上的外力，i为单位张量。
[0069]
2)将层流域范围选定为：(1)、(4)、(5)。将消融针尾部设定为进气入口，并定义输入蒸汽的压力和速度；消融针顶端小孔设定为出口；
[0070]
3)肝组织内生物传热方程为：
[0071][0072]
其中ρ是单位质量内能，e是速度矢量，v是速度大小的平方，v^2是传导热通量矢量，q是密度，σ是总应力张量，f
p
是单位质量的体力；
[0073]
4)将生物传热域选定为：(1)、(2)、(4)～(7)。将肝脏(7)设定为生物组织，不锈钢((2)、(6))设定为固体，蒸汽((1)、(4)、(5))设定为流体，在消融针尾部设定蒸汽的温度；
[0074]
5)定义肝脏内为36.5degc，参考压力为0.1mpa，以模拟肝脏在人体内环境；
[0075]
(四)依据设定的蒸汽温度速度对仿真几何模型划分网格，设定求解器求解方法；
[0076]
1)依据层流模型和生物传热模型中设定的温度、压力划分有限单元网格，本实施例中对所有域设定网格大小为“较细化”，最小单元质量与平均单元质量为0.1747、0.8173，观察网格划分结果，若存在低质量网格，则进行局部再细分，构建的有限元模型如图4所示；
[0077]
2)添加时域研究步骤，600s内步长60s，以直接求解器的方法求解；
[0078]
(五)对仿真数据可视化处理，得出温度场分布规律；
[0079]
1)仿真结果；如图5所示，消融区域大致以消融针上出气孔为中心向肝脏四周呈近似球扩散；
[0080]
2)多平面内观察温度场分布；图6(a)显示的是2mpa，100m/s，600s消融剂量下一切面的温度分布图，图6(b)所示含有60℃等温线的温度分布图，可见等温线(外圈白线)的长径32mm，短径30mm，轴比约为93.75％；图7(a)显示的是2mpa，100m/s，900s消融剂量下一切面的温度分布图，图7(b)所示2mpa，100m/s，900s消融剂量下60℃等温线的长短径有所提高，轴比提高至95.38％，消融区域更加趋近于球形。
[0081]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于comsol多物理场仿真软件，选定工作平面画出消融针结构图，构建三维消融针仿真几何模型；步骤2：对消融针仿真几何模型中的计算域设定材料和参数，其中设定材料的种类包括：肝脏，蒸汽，不锈钢，真空；步骤3：构建耦合层流模型及生物传热模型；步骤4：根据步骤3构建的耦合层流模型及生物传热模型，依据设定的蒸汽温度和速度对消融针仿真几何模型划分网格，设定求解器求解方法；步骤5：对求解得到的仿真数据进行可视化处理，得到温度场分布数据。2.如权利要求1所述的一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程是：步骤11：基于comsol多物理场仿真软件搭建肝脏的二维轴对称模型；步骤12：在comsol多物理场仿真软件的工作平面上建立二维轴对称消融针结构图，旋转结构图得出三维消融针仿真几何模型，将三维消融针仿真几何模型内的不锈钢、真空、蒸汽保留为计算域；三维消融针仿真几何模型包括：真空管空腔、真空管金属层、真空管真空层、针头内空腔、针头出气孔、针尖、肝脏；所述真空管金属层设于所述真空管空腔内，所述针头内空腔焊接于真空管空腔的一端，所述针头内空腔的另一端设有针尖，且所述针头出气孔开设于所述针头内空腔的一侧；且所述肝脏设定为生物组织，真空管金属层和针尖设定为固体，真空管真空层内流动的蒸汽设定为流体。3.如权利要求1所述的一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程是：设定肝脏的比热容c，热导率k，密度ρ分别为：设定肝脏的比热容c，热导率k，密度ρ分别为：设定肝脏的比热容c，热导率k，密度ρ分别为：4.如权利要求3所述的一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程是：步骤31：蒸汽在三维消融针仿真几何模型内的耦合层流模型为：
其中，u是流体速度，p是流体压力，ρ
l
是流体密度，μ是流体动力黏度，f是作用在流体上的外力，i为单位张量；步骤32：将层流域选定为：所述真空管空腔、针头内空腔以及针头出气孔，定义输入三维消融针仿真几何模型的蒸汽的压力和速度；步骤33，生物传热模型为：其中ρ是单位质量内能，e是速度矢量，ν是速度大小的平方，v^2是传导热通量矢量，q是密度，σ是总应力张量，f
p
是单位质量的体力；步骤34，将生物传热域选定为整个三维消融针仿真几何模型以及肝脏，定义输入三维消融针仿真几何模型的蒸汽的温度。5.如权利要求4所述的一种基于comsol的蒸汽消融三维温度场仿真方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程是：步骤41，依据层流模型和生物传热模型中设定的温度、压力划分有限单元网格，观察网格划分结果，若存在低质量网格，则进行局部再细分，最终得到构建的有限元模型；步骤42，进行时域研究，以直接求解器的方法求解。

技术总结
本发明公开一种基于COMSOL的蒸汽消融三维温度场仿真方法，包括以下步骤：步骤1，基于COMSOL多物理场仿真软件，选定工作平面画出消融针结构图，构建仿真几何模型；步骤2，对仿真几何模型中的计算域设定不同材料及参数，对具体材料种类分为：肝脏，蒸汽，不锈钢，真空；步骤3，构建耦合层流模型及生物传热模型；步骤4，根据步骤3构建的模型，依据设定的蒸汽温度速度对仿真几何模型划分网格，设定求解器求解方法；步骤5，对求解得到的仿真数据进行可视化处理，得到温度场分布数据。此种仿真方法可以建立三维有限元仿真模型，计算消融热场，指导手术方案的制定。术方案的制定。术方案的制定。


技术研发人员：钱志余 宋毅 晋晓飞 吴鑫 李梦雪 唐千舜 李军乐 徐逸轩
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/13