房颤微波消融术温度场关键问题研究

微波消融是外科手术治疗房颤的一种新技术。但由于心脏组织富含血液，血流的存在是一个热扩散过程，它会导致消融区形状的差异，而且不同部位的血流影响不同，这就使得温度分布很难通过天线的比吸收率模式来获取，从而影响疗效。本课题的目标是研究温度场的关键问题，建立基于个性化的真实心房颤动微波消融术的软件集成环境，包括最佳消融路径的选择，研究增加消融的透壁性所采取延长消融时间、加大输出功率情况下，消融尺寸的变化规律；在友好的图形界面引导下，自动完成消融的数值计算和消融过程可视化。具体包括天线比吸收率的获取，消融模型的建立，利用多普勒获取心脏血流情况，结合生理真实的边界条件，并通过有限元计算分析心肌组织的温度随微波功率、加热时间的变化，研究消融深度与宽度之间的关系，计算得出有效消融尺寸，结合临床分析，给出相应的数据表格，探讨该术式的手术计划指导，为微波消融治疗房颤临床应用提供科学的依据。

本项目采用有限元方法进行了房颤微波消融术温度场关键问题研究，即建立血液-心肌-天线、血液-心肌-脂肪层-天线、天线多点消融的数值模型，研究不同的天线放置方式、心肌厚度、脂肪层厚度、血流速度、微波功率及加热时间下的消融区形态及温度场，计算得出有效消融尺寸，结合临床分析，给出相应的数据表格，建立了图形界面数据库软件，为房颤微波消融的临床应用提供科学依据。研究结果表明：1）不同的天线放置方式可以影响温度场的形状及温度最高点位置。当微波天线垂直于心肌表面时，最高温度点位于心肌内距离天线顶端1mm处；当微波天线平行于心肌表面时，最高温度点位于心肌内距离天线中心线1.5mm，距离端口激励26mm（天线长度约30mm）处。2）消融宽度均大于消融深度，且随着加热时间增加而增加。当心肌组织厚度超过4mm，平行的放置方式更易于产生较大的消融深度，同时保证最高温度值不超过80℃。消融时间一定时，心肌组织温度最高值与消融功率呈正相关，功率每增加10W，最高温度值的增幅相同。3）对比无血流情况下，有血流的心肌消融区最高温度值明显下降（从114℃下降到85.9℃），且有效消融区（≥50℃）向心肌内移动，形成一个比较薄的低温层。4）在心内膜逐点消融的情况下，50W是最佳消融功率，1.5cm是最佳消融天线间距。在此最佳方案下，逐点消融两点所需要的总消融时间为43.2s，最高温度为87.18℃，连续透壁消融长度、心肌内部最大消融长度及最大消融宽度分别为2.486、2.770、1.865cm。5）在心内膜消融中，脂肪层对于有效消融深度的影响可以忽略，有效消融区域会在心肌内部沿着天线横向和轴向平行扩大；在心外膜消融中，脂肪层的存在严重影响了微波消融温度场的形状，尤其在需要透壁消融的手术中，不建议在心脏内有血流的情况下进行心外膜消融。6）建立了房颤微波消融术的软件集成环境，软件可以在输入心肌厚度、脂肪层厚度、血流情况的前提下，给出对应的天线放置方式、消融时间、消融功率，并且提供不同组合时的预期消融范围（包括横向宽度和径向长度）以及最高温度的信息，方便医生或研究者查看所需要的治疗方案，有利于开展术前治疗规划。项目研究成果包括：发表学术论文13篇（其中SCI收录4篇，EI收录3篇，ISTP收录1篇）；获批软件著作权1项；专利初审通过1项。项目共培养博士生1名，硕士生3名，另有5名本科生参与了本项目的实验研究。