随着微创消融技术的不断发展,射频消融(RFA,Radiofrequency Ablation)技术已广泛地用于治疗肝肿瘤疾病。相比于传统的外科肝肿瘤切除术,RFA技术具有微创、安全、适应症广、术后恢复快和费用低等优点。特别是针对肿瘤较多或肿瘤位于不可切除部位的患者,热消融技术已成为行之有效的治疗手段。但由于患者个体间存在着较大的差异性,消融治疗效果主要依赖于医生的经验,难以对患者进行适形治疗,导致术后可能会出现肿瘤复发等情况。目前,采用热消融技术对肝肿瘤患者进行精准和适形覆盖治疗是亟需解决的问题。本课题研究肝肿瘤温控射频消融温度场仿真及手术辅助系统设计。在温控射频消融温度场仿真研究中,采用有限元分析法对数值模型进行求解。电压源采用比例积分(PI,Proportional Integral)控制器进行反馈控制,其中不同生物传热模型下PI控制器的最佳系数基于离体猪肝温控射频消融实验结果来获得。为了定量获得仿真模型中各参数变化对消融效果的影响,分别对有限元模型中的生物组织参数和电极针参数进行敏感性分析。在消融效果预测方面,提出了基于横纵径变化的消融损伤区边界模型和消融损伤体积模型。此外,研制了一套肝肿瘤射频消融手术辅助系统。主要研究内容如下:(1)基于PI控制器的温控射频消融温度场仿真模型的建立。首先基于离体猪肝温控射频消融实验获得共11组有效的实验数据(包括消融电极针尖温度、测温点温度和消融损伤区剖面横纵径值)。然后在有限元仿真模型中,采用PI控制器调节电压源从而使得电极针尖温度保持恒定;分别基于Pennes和Hyperbolic生物传热方程求解组织中的热传递情况;根据实验数据获得不同传热模型的最佳PI系数。最后通过离体猪肝实验结果进行验证,结果表明基于Pennes传热模型的温控射频消融温度场仿真模型具有较高的仿真精度。(2)有限元模型中的生物组织参数和电极针尖参数的敏感性分析研究。采用田口实验设计法进行敏感性分析实验,在Comsol Multiphysics软件中实现了基于不同参数值的有限元仿真实验并导出了消融区体积和测温点温度。根据主效应图和方差贡献率(SS%)的结果来分析参数的敏感性。对生物组织参数(比热容、导热率、电导率、密度和介电常数)分别选取三水平进行敏感性分析,分析结果表明电导率对消融损伤区体积的影响最为显著,介电常数的影响可忽略不计;对电极针参数(针尖预设温度、针尖插入组织深度和针尖水平移动距离)分别选取三水平进行敏感性分析,研究表明针尖预设温度对消融损伤区体积的影响最为显著。(3)消融损伤区边界和体积的精确评估。基于温控射频消融有限元模型中获得的不同电极针尖预设温度下消融损伤区横纵径值和损伤区边界结果,在1Stopt软件中通过函数拟合建立了基于横纵径生长特征的消融损伤区边界预测模型。另外根据消融体积数据建立了非线性变化的损伤区体积模型。(4)肝肿瘤射频消融手术辅助系统的研制。在Microsoft Visual C++6.0平台下基于MITK进行系统的设计,根据患者肝脏CT数据实现肝肿瘤的三维重建,将温度场仿真结果和肿瘤数据进行适形匹配,输出温控射频手术的最佳治疗参数。