基于计算机和3D细胞模型大血管旁肝肿瘤热消融的分析与优化

Thermal tumor ablation (e.g., radiofrequency ablation or microwave ablation) is extensively used in the treatment of various tumors in clinic with favorable outcomes. However, the same outcomes cannot be expected when treating tumors abutting large vessels (i.e., >3 mm in diameter) using thermal tumor ablation. Incomplete tumor ablation usually occurs due to the “heat-sink” effect of large vessels, which leads to high local tumor recurrence rates. Computer modeling and simulation is taken as an effective way to design the treatment protocols for thermal tumor ablation; appropriate computer models are able to predict or reproduce accurately the behaviors of thermal tumor ablation, such as temperature distribution, ablation zone change, tumor death, and etc. The study aims to build a computer model including a large vessel, a liver tumor, and liver tissues, which is able to simulate the treatment process of thermal ablation for liver tumors abutting large vessels. The computer model is verified and validated by using a 3D cell model. Factors that influence the “heat-sink” effect of large vessels in thermal ablation are analyzed by using engineering methods, and the thermal ablation protocols are optimized for the complete liver tumor ablation and the minimal thermal damage to the vessels. Personalized thermal ablation protocols can be expected for liver tumors adjacent to large vessels by using the computer model, which expands the scope of applying thermal tumor ablation in clinic.

肿瘤热消融（射频消融或微波消融）被广泛地应用于临床各类肿瘤的治疗上并取得良好的治疗效果。然而当前热消融在位于大血管（直径大于3毫米）旁肿瘤的治疗效果不佳，主要表现在因大血管“热沉”效应而导致的肿瘤不完全消融从而引起较高的肿瘤局部复发率。计算机建模及仿真是肿瘤热消融治疗方案设计的有效手段之一，合理的计算机模型能够准确地预测或重现肿瘤热消融过程中的实际行为，如温度分布、消融区域变化、肿瘤死亡等。本工作首先建立包含大血管、肝肿瘤组织、正常肝组织在内的肝肿瘤热消融计算机模型，并通过构建大血管旁肝肿瘤热消融的3D细胞模型来对计算机模型进行检验和验证。然后利用计算机模型分析影响大血管“热沉”效应的各个因素并对热消融方案进行优化设计以期得到肝肿瘤的完全消融和对大血管的最小热损伤。最后利用计算机模型制定出针对不同情况下大血管旁肝肿瘤的个性化热消融治疗方案，为进一步拓展肿瘤热消融的临床应用范围奠定基础。

射频消融和微波消融作为一种微创的手术替代方案在小尺寸肝癌的治疗上具有广泛的临床应用，然而现有的治疗方案对于大尺寸肝癌或大血管旁肝癌的治疗患者获益不多。其主要原因体现在大尺寸肝癌的消融不完全或大血管处因热沉消融的肝癌不完全消融导致的肝癌局部复发，从而恶化预后；影响患者的5年或10年存活率。本项目着重利用计算机模型和体外3D肿瘤细胞模型，从上述两个临床问题出发，研究改进或增强射频消融和微波消融的治疗能力，从而实现对大尺寸肝癌或大血管旁肝癌的完全消融。主要完成了以下工作内容：1）面向大尺寸肝癌的射频和微波消融治疗方案优化与改进。利用计算机模型、体外3D细胞模型、体外组织模型以及上述多种模型相结合的方式，本项目在如何增大射频消融和微波消融治疗区域从而增强这两种热消融方法上完成了一系列的工作，主要包括：a）设计和验证了一款新型的可升缩的射频消融电极针；b）利用阳离子溶液改进射频消融治疗能力；c）优化设计了一款可以实现大尺寸和高圆度肝癌消融的微波天线；d）联合不可逆电穿孔疗法改善射频消融的治疗能力。2）体外大血管处肝癌细胞模型的建立及治疗方案优化。本项目初步a）建立了含有大血管的体外3D肝癌细胞模型，并分析了多种3D细胞打印技术和设置参数对模型建立的影响；b）建立电、热以及流体多物理场耦合的RFA计算机模型，并利用工程优化方法（如，响应曲面法）设计和优化了大血管旁肝癌的射频消融治疗方案。3）肝癌的适形精准消融初步探索研究。本项目利用计算机模型和智能优化方法（如，NSGA-II），研究了针对不同形状和大小肝癌的微波消融治疗方案；通过优化非周期三缝隙天线的内部结构、微波输入功率以及天线插入深度三个参数，实现肝肿瘤组织的完成消融和周边正常组织的最小热损伤。