基于血管介入技术的肿瘤全身热疗方法研究

论文摘要

围绕恶性肿瘤治疗展开科研公关一直是国内外生物医学工程界的重大课题。此方面,全身热疗是对已扩散至全身的恶性肿瘤实施有效治疗的一种重要途径。但现有方法普遍存在机体升温速度偏慢,对病人创伤大,设备昂贵复杂,手术实施困难等不足,因而尚不能广泛用于临床。本文旨在从新的理论和实验角度对全身热疗方法进行探索,并在下述几方面取得进展:采用有限元数值计算方法,对接近真实边界条件下的4类典型全身热疗措施的升温特性进行了全面评估,对比分析了不同加热途径的升温效率,剖析了进一步提升全身加热效率的技术途径。针对当前全身热疗方法存在的技术瓶颈及理论评估结果,建立了一种崭新的血管介入加热式全身热疗方法,旨在通过对大血管内血流直接加热并借助其内血液的输运实现高效的全身加热。在此基础上,研制了一套模拟血管内加热的全身热疗试验台,系统评估了该方法的加热能力及其对血流动力学参数的影响情况,并从理论角度分析了新方法的可行性。血管介入式全身热疗方法实施过程中,加热探针表面及其周围血流的温度的监测是十分重要而又相对困难的问题。为此,论文建立了一种通过监测镍探针的阻抗,进而预测探针本体及血流温度的方法。标定了探针的电阻-温度特性,测定了探针在模拟血流中加热功率与温度的对应关系,分析了探针的温度场分布特点。探针电阻-温度标定物理模拟实验中得到的测量结果和理论分析,可进一步评估探针周围血流的温度变化。为全面深入的认识全身热疗方法的生物热学响应规律,本文建立了完整的人体全身房室传热模型,将循环血流作为重要的载热媒介,对四类典型全身热疗方法的加热效果进行了系统评估。定量分析了全身热疗过程中人体的温度响应规律及体表加热方式难以迅速提升体温的原因,并明确给出了全身热疗输入体内能量的范围。在上述工作的基础上,研制出集平板电脑、可编程逻辑控制器、功率模块、温度测量/监控模块与加热探针等硬件于一体的第一代血管介入加热式全身热疗设备。物理模拟实验表明血管介入式热疗机可高效提高患者体核温度。为深入认识新技术的实际工作规律,本文首次进行了血管介入式全身加热方法的动物试验研究,成功将加热探针介入到实验动物的大血管,得到了该方法的第一手动物实验数据,考察了血管介入式全身热疗方法对实验动物的呼吸、血压、心率的影响,证实了新方法的高效性和安全性。提出了血管内空间加热方法,建立了血管内激光空间加热方法的数学模型。从数值模拟的角度预测出血管内空间温度场的分布。最后,针对全身热疗中脑保护问题,尝试采用房室模型评估了血管内降温方法的降温规律,并与体表降温方法的降温过程进行对比,分析了血管内降温方法具备更快降温速率的原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 肿瘤自发消退现象及肿瘤全身热疗治癌机理
• 1.2.1 肿瘤免疫学机理
• 1.2.2 热疗的细胞毒性作用
• 1.3 全身热疗方法及血管介入式微创医疗手段研究进展
• 1.3.1 临床用全身热疗设备
• 1.3.2 血管介入式微创医疗手段研究进展
• 1.4 全身热疗方法所涉及生物传热学问题
• 1.4.1 分析全身热疗过程的传热传质数学模型
• 1.4.2 全身热疗过程体温调控数学模型
• 1.5 本文工作的主要内容
• 第二章 基于血管介入式加热的微创性全身热疗方法
• 2.1 引言
• 2.2 基于Pennes生物传热方程评估典型全身热疗方法加热效果
• 2.2.1 理论模型的建立
• 2.2.2 模型求解
• 2.3 血管介入式微创性肿瘤全身热疗方法
• 2.3.1 血管介入式微创性肿瘤全身热疗方法的提出
• 2.3.2 实验研究
• 2.3.3 加热探针加热能力评估试验
• 2.3.4 探针热损伤及血流动力学参数测定
• 2.3.5 实验结果
• 2.3.6 讨论
• 2.4 肿瘤细胞热损伤速速率过程及机理剖析
• 2.4.1 肿瘤细胞热损伤速率理论
• 2.4.2 肿瘤细胞热损伤失活问题理论评估
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于房室模型及人体热平衡方程的全身热疗剂量的理论评估
• 3.1 引言
• 3.2 基于房室模型的典型全身热疗方法加热效率理论评估
• 3.2.1 数学建模
• 3.2.1.1 房室模型
• 3.2.1.2 基于房室模型的全身热疗方法数学建模
• 3.2.1.3 血液和组织间的对流换热
• 3.2.1.4 不同组织间传导换热
• 3.2.1.5 和环境间的换热量计算
• 3.2.1.6 呼吸散热损失
• 3.2.2 体温调节系统
• 3.2.3 模型求解
• 3.2.4 结果与分析
• 3.3 基于人体热平衡方程的全身热疗剂量理论评估
• 3.3.1 用于全身热疗剂量评估的人体热平衡方程
• 3.3.2 机体从正常体温升至治疗温度（42℃）需热量
• 3.3.3 新陈代谢产热量
• 3.3.4 人体向周围环境的散热量
• 3.3.5 全身热疗设备输入能量
• 3.3.6 讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 血管介入加热式全身热疗设备的研制及性能评估
• 4.1 引言
• 4.2 探针温度监测功能的基本原理
• 4.3 探针在仿真人体血流条件下功率-温度关系实验研究
• 4.3.1 微螺旋加热探针电阻-温度关系的标定
• 4.3.2. 加热过程中模拟血流内探针温度的测定
• 4.4 结果和讨论
• 4.5 HN-I 型探针生物相容性涂层材料及加工工艺研究
• 4.5.1 生物相容性涂层材料选择
• 4.5.2 生物相容性涂层加工工艺过程
• 4.6 HN-Ⅱ型探针的研制
• 4.6.1 HN-Ⅱ型探针的特点
• 4.6.2 HN-Ⅱ型探针内部均温流体灌注和低阻抗传输线制作
• 4.7 HR-II 型探针表面温度预测
• 4.8 血管介入式全身热疗设备硬件系统
• 4.8.1 硬件系统组成
• 4.8.2 信息存储
• 4.8.3 人机交互
• 4.8.4 电源及功耗
• 4.8.5 系统调试
• 4.9 血管介入式全身热疗设备软件设计
• 4.9.1 系统软件架构
• 4.9.2 温度、功率信息的采集和处理
• 4.10 血管介入式全身热疗系统性能评估
• 4.10.1 测试系统的组成
• 4.10.2 系统性能测试
• 4.11 实验结果和讨论
• 4.12 本章小结
• 第五章 血管介入加热式全身热疗方法动物实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料和方法
• 5.2.1 实验动物
• 5.2.2 实验设备和材料
• 5.2.3 动物实验研究
• 5.3 动物实验结果
• 5.4 讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 血管内空间加热技术
• 6.1 引言
• 6.2 血管内空间加热技术
• 6.2.1 血管内激光和微波加热技术
• 6.2.2 血管内激光加热方法数学模型
• 6.2.3 模型求解
• 6.2.4 结果和讨论
• 6.3 本章小结
• 第七章 全身热疗中典型低温脑保护方法降温速率理论评估
• 7.1 引言
• 7.2 血管内冷却方法降温效果理论评估
• 7.2.1 血管内降温方法
• 7.2.2 血管内降温方法数学模型
• 7.2.3 血管内导管冷却系统冷却能力评估
• 7.2.4 血管内导管冷却系统脑部降温速率评估
• 7.3 体表冷却降温方法降温效果理论评估
• 7.3.1 体表冷却降温方法数学模型
• 7.3.2 模型求解
• 7.3.3 结果
• 7.3.4 讨论
• 7.4 本章小结
• 第八章 全文总结及进一步工作
• 8.1 本论文的主要内容和贡献
• 8.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读博士学位期间发表（或待发表）的论文目录
• 攻读博士学位期间申请的专利
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 攻读博士学位期间所获得的奖励
• 致谢