一种肿瘤热疗的温度场预示与控制装置及方法

文档序号:9759588阅读:313来源:国知局
一种肿瘤热疗的温度场预示与控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及临床医学检测技术领域,具体来说涉及一种肿瘤热疗的温度场预示与控制装置,以及使用该装置所实现的一种肿瘤热疗的温度场预示与实时控制方法。
【背景技术】
[0002]在现代医学中,肿瘤及其周围组织的三维热分布信息不仅有助于疾病的诊断和分析,而且对于热疗过程中温度场的预示与控制有着十分重要的价值。
[0003]传统的生物体三维温度场的重构和预示通常采取解析法和数值求解法两种。其中,解析方法的优势在于系统的行为和特征可以通过方程及其解的形式来解释和揭示,主要缺点是只有简单问题才能得到极其有限的解,比如线性或常参数系统等。而实际系统往往是十分复杂的,为了模拟和仿真真实系统,所采用的数学模型也就会相应变得更为复杂,此时必须采取数值方法进行求解。对于温度场反问题的求解,常用的数值方法有两种,即有限差分法和有限元法。如果模型的边界比较规则,采取有限差分法较为快捷,如果模型的边界不规则,则适用于采用有限元法。但它们存在一个共同的问题:对温度边界条件的要求十分苛刻,需要获取模型全部表面的温度分布信息。这一特点使得上述数值方法在实际的临床应用中遇到巨大的阻碍。如何寻找一种方便快捷的方式提高肿瘤热疗过程中温度场重构的速度,为广大的癌症患者带来低成本的高效治疗是本领域技术人员需要研究的一个重大课题。

【发明内容】

[0004]为解决上述问题,本发明提供一种肿瘤热疗的温度场预示与控制装置及方法。由生物体表面温度推导其内部温度场分布是一个典型的热传导反问题,本发明以生物体热源的温度为优化变量,通过建立合理的目标函数,将这一典型的热传导反问题转换成正问题的求解过程,从而避免传统数值方法中复杂的边界条件处理和正则化处理过程,提高了肿瘤热疗过程中温度场重构的速度,从而达到实时监控的效果。
[0005]本发明提供的一种肿瘤热疗的温度场预示和控制过程如下:
[0006]优选的,采用高精度红外热像仪获取病灶部位(器官)一个表面的温度,提取有限个点的实际温度值;
[0007]进一步地,以一定的方法来选取点的位置及其个数,即在红外热图表面作十字形(或圆形、三角形等)线条,在线条上等距离取点,提取相应点的实际温度值;
[0008]进一步地,十字形(或圆形、三角形等)的中心靠近红外热图的最高温区域,使图形线条的分布尽量反映红外热图的温度分布特征;
[0009]可选的,本发明的实施方法中,采用B超机在病灶部位获得病灶的位置信息和形状信息,基于某种全局优化算法,以病灶的温度为优化变量,使用有限元法对温度样本进行计算,从而得到该样本下的病灶部位温度分布的理论值;
[0010]对应于红外热图中所选取的点,相应地提取这些点的理论温度值;
[0011]对于所有的选取点,首先取每个选取点的实际温度值与理论温度值之差,然后取全部选取点的绝对值之和,和值越小,则当前病灶的温度样本越优;
[0012]通过上述方法,实现了肿瘤热疗过程中温度场的预示,医生则根据病灶及其周围组织的温度场的预示判断当前的热疗温度是否符合要求,然后通过调节外部装置对内部温度进行控制。
[0013]可选的,一种肿瘤热疗的温度场预示与控制装置,包括红外热像仪、温度场优化仿真系统、微波辐射源、B超机和显示控制装置。所述红外热像仪和显示控制装置相连,实现病灶部位实际表面温度的显示、等距点的选择以及其温度值得提取;所述B超机和温度场优化仿真系统相连,实现病灶部位的真实组织结构的显示,以便于准确构建仿真模型;所述温度场优化仿真系统和显示控制装置相连,实现病灶部位的理论表面温度的获取,得到与实际模型相对应的选取点的温度值,并取所有点的理论温度值和实验温度值之差的绝对值;所述微波辐射源和显示控制装置相连,根据热疗过程中病灶部位温度场的预示结果,实现对热疗温度的实时监视与控制。
[0014]本发明的积极进步效果在于:一、通过生物体表面温度反演得到内部三维温度场,是一个典型的热传导反问题,本发明将这一反问题转变成为正问题的求解过程;二、以病灶温度为优化变量,采用全局优化算法重构病灶部位的温度场,在重构过程中,只需获取一个表面的温度分布,避免了常用数值方法中的繁琐边界条件的处理过程;三、在构建目标函数时,只需按某种方式选取有限个点,并在实际模型和仿真模型中提取对应的温度值,这使得优化迭代的效率得到了极大的提高,而这也正是肿瘤热疗过程中温度场预示与实时控制的一个重要的技术环节。
【附图说明】
[0015]图1为本发明一种肿瘤热疗的温度场预示与控制装置的结构示意图。
[0016]图2为本发明基于全局优化算法的温度场重构方法流程图。
[0017]图3为本发明目标函数的构建方法示意图。
[0018]图4为本发明温度场优化仿真系统中优化模块、有限元建模与数据提取模块和目标函数计算迭代模块的三个模块的数据交换流程图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明的目的、方法、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处描述仅仅用以解释本发明,并不限定本发明。
[0020]图1为本发明一种肿瘤热疗的温度场预示与控制装置的结构示意图。如图1所示,红外热像仪和显示控制装置相连接,微波辐射源和显示控制装置相连接,温度场优化仿真系统和显示控制装置相连接,B超机和温度场优化仿真系统相连接。此外,图1中还显示了热疗病床及其病人的摆位方法。
[0021 ]如图1中的①所示,首先通过B超机获取病灶部位的组织结构信息,把该信息传递给温度场优化仿真系统进行生物热传导的建模,优化变量为病灶的温度。
[0022]如图1中的②所示,红外热像仪探测到病灶部位表面温度信息,并形成红外热图,然后将该热图传递给显示控制装置,通过显示控制装置,医生对获取的红外热图进行与病灶部位的等比例处理,然后按某种方式(十字形,或圆形,或三角形等)等距离取点并提取其对应的温度值。以十字形为例,在红外热图中的病灶部位区域作十字形,接着在十字形上等距离取有限个点并提取其对应的温度值。
[0023]在一个优化样本下,计算出病灶部位的理论表面温度分布,并对应于实际的红外热图,选择相同数量、相同位置的等距点,提其理论温度值。计算各个点的理论温度值与实际温度值之差并取绝对值,然后计算所有选取点的绝对值之和,若和值越小,则当前样本越优。
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