肿瘤热疗原理的COMSOL仿真

肿瘤中心温度一般比肿瘤周边高1~1.5摄氏度.

肿瘤细胞对热耐受性低，一般癌细胞在42摄氏度、2h以上可以杀灭，而正常细胞可以长时间耐受42~43摄氏度高温，因此，我们暂定肿瘤热疗最低温度为42.5摄氏度.

热可以抑制肿瘤细胞呼吸，在低氧状态下，增强无氧糖、糖酵解，使环境酸度增高，在酸性环境中，容易激活溶酶体的活性，抑制DNA、RNA、和蛋白合成，使细胞膜破坏，骨架散乱，细胞功能受损，最后导致癌细胞死亡. 热疗可以提高机体免疫功能，历史上因高热使肿瘤完全消退的例子不胜枚举，大量基础和临床研究表明，局部高温可以刺激机体的细胞免疫系统和体液免疫系统产生大量的NK细胞、T细胞、巨噬细胞和抗体效价持续增高等免疫效应.对肿瘤疫苗研究发现，加热后的肿瘤细胞可以合成一种应激性蛋白，即热休克蛋白，它具有抗原性，能刺激机体免疫系统，提高机体免疫功能。

9

三. 微波治疗肿瘤

3.1 微波治疗肿瘤

电磁的热疗在工程问题上有广泛的应用，由于它的多物理能力，是非常适合在COMSOL建立模型的。这种特殊的模型是根据肿瘤的温热来产生效果的，其中以耦合的生物传热方程的电磁学领域为典型。该模型的建模问题和技术是普遍适用于任何涉及电磁加热的问题。

治疗癌症是采用局部加热治疗，通常结合对肿瘤组织的化疗或放疗。与深层次的选择性加热肿瘤、不破坏周围的组织相关的一些挑战有： （一）控制加热功率和空间分布 （二）设计和控制温度传感器的位置

在目前出现的可能的加热技术，射频和微波加热吸引了来自临床研究者的注意。微波治疗是一个这样的技术，如微波天线插入肿瘤。微波加热肿瘤，在凝固区域里的癌细胞被杀死。

建立这个模型的目的是为了在使用微波凝固治疗的时候计算细胞组织的温度场，辐射场和特定吸收率（SAR）。紧随着分析发现，组织中的温度分布计算使用生物传热方程。

3.2 模型定义

该天线包括一个5毫米的短路尖槽的细同轴电缆嵌入1毫米宽的环形外导体。为了安全起见，天线封装在一个由PTFE（聚四氟乙烯）制成的套筒（导管）。材料数据和几何尺寸载于表1。该天线是在2.45 GHz频率上的运行，该频率

10

广泛应用于微波凝固治疗。 实体 中心导体的直径 内导体的外直径 外导体的外直径 导管直径 实体 内部电介质的同轴电缆 导管 尺寸[毫米] 0.29 0.94 1.19 1.79 相对介电常数 2.03 2.60 肝脏组织 （Liver tissue） 43.03 实体 导电性[S / M] 肝脏组织 （Liver tissue） 1.69 表1：尺寸和同轴开槽天线的材料特性。

图1 : 天线的几何形状。一个塑料导管环绕的天线。

11

该模型考虑到了使它取得了在二维模型的旋转对称的优势，采用圆柱坐标，如图2所示。在二维建模时，用一个细网格，具有优秀的准确性。

图2：计算区域被认为是在预留的平面长方形上获得。

计算域的径向和轴向的程度在现实中是大于图2示的。该金属导体内部并不为蓝本。金属部分为蓝本利用边界条件设置电场，切向分量为零。

3.3 域和边界方程——电磁学

电磁波在同轴电缆传播的特点是横向（透射电镜）电磁场。假设使用包

含有复杂的相位信息的振幅时谐领域：

其中P在电缆平均功率流，Z是阻抗,rinner和router分别是本介质内，外

半径。角频率记为ω。传播常数k与波长λ有关：

12