賈得巍 劉 靜，2*

1(清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100084)

2(中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190)

引言

全身熱療是通過(guò)全身均勻溫和升溫的發(fā)熱作用來(lái)摧毀腫瘤細(xì)胞，繼而控制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的治療方法［1］。歐美國(guó)家自上世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行全身熱療設(shè)備的研制，及腫瘤全身熱療的臨床應(yīng)用，經(jīng)過(guò)20多年研究和發(fā)展，逐步建立了初步的全身熱療理論基礎(chǔ)［2－3］。2000年美國(guó) FDA 批準(zhǔn)了全身熱療(WBH)用于惡性腫瘤的臨床治療。與局部高溫的腫瘤熱消融形成對(duì)比，全身熱療摧毀腫瘤的方式多為生化性［4］或免疫性［5－7］，而非直接消融。因此，建立嚴(yán)格的全身熱療標(biāo)準(zhǔn)顯得極為重要。目前公認(rèn)的治療標(biāo)準(zhǔn)為全麻狀態(tài)下體核溫度(食道下段)達(dá)到41.8℃并恒溫維持60 min。

然而當(dāng)前能實(shí)施全身熱療的方法并不多，主要包括致熱源注射、機(jī)體表面直接接觸傳熱、紅外線輻射式加熱及體外循環(huán)等方法。它們?cè)陲L(fēng)險(xiǎn)或效果上均存在一定不足，而且無(wú)法對(duì)治療溫度嚴(yán)格控制，使得全身熱療的應(yīng)用受到了一定制約。這就要求全身熱療在實(shí)施前，應(yīng)該對(duì)溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)可達(dá)到的效果加以評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)熱療過(guò)程中可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)采取相應(yīng)保護(hù)措施。另一方面，則應(yīng)改進(jìn)全身熱療的方式，使患者在開(kāi)放空間接受盡可能短時(shí)間的熱療。為此，本研究針對(duì)移動(dòng)加熱的微波全身熱療過(guò)程［8］進(jìn)行了評(píng)估，進(jìn)一步結(jié)合已驗(yàn)證的人體溫度模型對(duì)微波電磁場(chǎng)作用下人體的溫度響應(yīng)提出了預(yù)測(cè)方法，并基于前人采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出一種對(duì)移動(dòng)微波進(jìn)行全身熱療評(píng)估和驗(yàn)證的方法。

1 移動(dòng)熱源式全身熱療原理及理論建模

1.1 微波的組織熱吸收原理

微波熱療機(jī)的熱療實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)所示，通過(guò)頂置微波聚束發(fā)射大劑量球面微波，再經(jīng)聚束裝置，形成高功率遠(yuǎn)場(chǎng)微波束，可由局部治療轉(zhuǎn)為全身治療，其工作頻率為915 MHz，標(biāo)稱有效透熱深度為10 cm。在915 MHz的微波頻段，微波對(duì)電介質(zhì)的加熱主要通過(guò)介質(zhì)內(nèi)的離子如各種鹽類的自由電荷極化振動(dòng)［9］，引起機(jī)體熱吸收和升溫，從而影響到身體其他器官的正常工作，如圖1(b)所示。值得注意的是，工作頻率為915 MHz的熱療機(jī)的加熱機(jī)制與高頻工作的家用微波爐不同，并非基于水分子共振，而是介質(zhì)中自由電荷極化。

圖1 移動(dòng)式微波全身熱療裝置和模型。(a)熱療機(jī)熱療實(shí)施裝置;(b)915 MHz微波熱療體內(nèi)產(chǎn)熱機(jī)制;(c)48房室人體熱學(xué)模型-微波作用Fig.1 Equipment and theoretical model for moveable microwave whole body hyperthermia.(a)Schematic of moveable microwave whole body hyperthermia apparatus;(b)Human body heat absorption mechanism for 915 MHz microwave;(c)48 compartments human thermal model and the interaction with microwave

1.2 微波功率發(fā)射及傳播遠(yuǎn)場(chǎng)

在熱療過(guò)程中會(huì)實(shí)時(shí)顯示微波發(fā)射的功率，將此功率轉(zhuǎn)化為空間微波場(chǎng)內(nèi)人體實(shí)際吸收的功率以計(jì)算人體熱響應(yīng)，如圖1(c)的作用模型所示。根據(jù)微波熱療機(jī)的設(shè)計(jì)原理和功率控制技術(shù)［10－12］可知，微波熱療機(jī)產(chǎn)生微波震蕩的關(guān)鍵元件在于磁控管，其原理為:陰極發(fā)射的有利電子在高電壓下漂移，在與微波場(chǎng)作同步運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中減速?gòu)亩鴮⒆陨淼闹绷魑荒芙唤o微波，并由陽(yáng)極收集，如圖2(a)所示。因此，微波機(jī)的工作功率為

式中，η為轉(zhuǎn)換效率，Va是加在磁控管陰極和陽(yáng)極之間的電壓，Ia是磁控管內(nèi)由陰極到達(dá)陽(yáng)極的電子流形成的陽(yáng)極電流。熱療機(jī)運(yùn)行通過(guò)調(diào)節(jié) Ia進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部的PID在線控制，若要能對(duì)熱療患者的溫度場(chǎng)進(jìn)行估計(jì)，必須建立從發(fā)射功率到溫度吸收和溫度分布響應(yīng)之間的作用機(jī)制。文獻(xiàn)［13］通過(guò)電磁波透射和發(fā)射的手法曾對(duì)微波和人體的熱穿透作過(guò)一定探討，研究了微波在人體電磁阻抗中傳播的衰減深度，提出了微波能量向人體熱能轉(zhuǎn)化依賴于微波能量空間傳播特性這一結(jié)論，但沒(méi)有進(jìn)一步對(duì)人體的溫度響應(yīng)做出研究。實(shí)際上，對(duì)于頻率為915 MHz的微波，其波長(zhǎng)為32.75 cm，與人身體尺度相當(dāng)，在這一特征尺度內(nèi)，電磁波的傳播特征占據(jù)了主導(dǎo)地位［14］，為了得到真實(shí)的溫度分布，必須求解耦合電磁場(chǎng)。

圖2 微波振蕩在磁控管內(nèi)的建立及發(fā)射后遠(yuǎn)場(chǎng)的形成① 圖片得到Encyclopedia Britannica的非商業(yè)使用授權(quán)。(a)磁控管內(nèi)微波震蕩建立過(guò)程;(b)微波遠(yuǎn)場(chǎng)傳播波形Fig.2 Establishment of microwave propagation in magnetron and far field formation.(a)microwave establishment insidethemagnetron;(b)farfield propagation of microwave

熱療機(jī)輻射器治療頭與皮膚間需要保持30 cm左右的距離，電磁波由球面波隨著曲率的減小，變?yōu)槠矫娌?，如圖2(b)所示，形成微波遠(yuǎn)場(chǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)(Fraunhoffer區(qū)域)電磁場(chǎng)能量伴隨著電磁波向前傳播的過(guò)程中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向與傳播方向垂直，強(qiáng)度反比于發(fā)射距離。根據(jù)Thumb定律，微波遠(yuǎn)場(chǎng)指與微波源相距大于2d2/λ的微波輻射，式中的 d為輻射發(fā)射頭的特征尺度。對(duì)于微波全身熱療，此臨界尺度為0.0067 m，遠(yuǎn)小于熱療操作中發(fā)射探頭距離，說(shuō)明熱療過(guò)程中患者處于持續(xù)的微波遠(yuǎn)場(chǎng)輻射中。遠(yuǎn)場(chǎng)微波場(chǎng)的傳播能量可由坡印亭矢量(Poynting vector)計(jì)算得出，單位為單位W/m2，其表達(dá)式為

遠(yuǎn)場(chǎng)中微波能量密度反比于發(fā)射距離的平方，可由此計(jì)算出位于微波遠(yuǎn)場(chǎng)的人體上表面能流密度

從空氣到人體，兩種介質(zhì)之間存在強(qiáng)烈的反射，可以通過(guò)反射因數(shù)來(lái)刻畫(huà)反射的微波功率。透射因數(shù)取決于反射截面兩邊的材料，其值等于反射微波強(qiáng)度與界面上表面入射微波強(qiáng)度的比值。由于微波垂直入射，反射因數(shù)可寫(xiě)作［15］

式中，ε0是自由空間的介電常數(shù)又稱介電損失因數(shù)，表征了電磁波在電介質(zhì)中的電磁能損失(lossiness of dialectic)，即電介質(zhì)吸收微波的能力。式中的 εr=又稱為相對(duì)介電常數(shù)。

反射后剩余的微波能量透射進(jìn)入人體，為體內(nèi)微波傳輸?shù)某跏贾?/p>

由式(3)和式(6)可以估計(jì)出進(jìn)入人體后的初始場(chǎng)強(qiáng)。

1.3 微波傳播理論

進(jìn)入人體后的電磁波，可從基本電磁方程出發(fā)求解。在人體這一電介質(zhì)空間電磁場(chǎng)中，Maxwell基本方程組簡(jiǎn)化為Helmholtz方程［16］

由于微波為正弦波，根據(jù)方程解的理論，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)平面波，電磁場(chǎng)的完全形式可寫(xiě)作

式中，pd(z)是穿透深度(penetration depth)，穿透深度通?？煽醋鞒?shù)pd計(jì)算［17］

電磁場(chǎng)中的熱量吸收通過(guò)比吸收率SAR(specific absorption rate)刻畫(huà)，表示單位質(zhì)量體積吸收并轉(zhuǎn)化電磁能到熱能的量值。對(duì)于穩(wěn)態(tài)正弦電磁場(chǎng)SAR可寫(xiě)作

式中，Erms是電場(chǎng)強(qiáng)度有效值，由于正弦微波平方根值和最大值之間存在換算關(guān)系，因此必須嚴(yán)格區(qū)分兩值的使用，采用平方根值可以避免計(jì)算周期平均ejωt，從而簡(jiǎn)化計(jì)算微波傳播的時(shí)間特性，文中未經(jīng)說(shuō)明使用的電場(chǎng)強(qiáng)度均為有效值。由微波源移動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)間特性在此SAR基礎(chǔ)上做隨移動(dòng)周期的線性而遞減。本研究分析中所采用的組織電磁學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 人體組織電磁學(xué)參數(shù)Tab.1 Electromagnetic parameters of human tissue

對(duì)于移動(dòng)式的微波熱源，微波照射到的地方將發(fā)生熱吸收，基于SAR求出體積分后可以計(jì)算人體內(nèi)某一組織的總吸收

2 基于多房室異質(zhì)參數(shù)的全身溫度響應(yīng)模型

為了描述全身熱療過(guò)程中，患者在接收微波熱輻射后，身體各部分的溫度響應(yīng)規(guī)律，可采用房室模型的集總參數(shù)表示全身熱量、代謝和溫度調(diào)控的平衡。基于熱量和能量平衡，本研究房室模型將全身分為12個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段4層分別代表4種不同組織的熱物性和生理參數(shù)，由外到內(nèi)分別為體表、脂肪、肌肉和體核，如圖1(c)所示。因此，人體的總體熱行為可以通過(guò)這48個(gè)組織房室外加一個(gè)血液房室描述。48個(gè)組織房室之間的熱平衡由下式表示

式中，ρ、c、V和 Ti分別表示第 i個(gè)房室組織的密度、比熱、體積、溫度;右邊幾項(xiàng)分別表示局部組織與灌注血液、相鄰組織層間的熱交換、代謝產(chǎn)熱、呼吸散熱、體表散熱;熱療過(guò)程中經(jīng)由微波探頭導(dǎo)入體內(nèi)相應(yīng)房室的熱量。前六項(xiàng)的相關(guān)計(jì)算及參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)［20－21］，此處不再重復(fù)。血液房室的熱量平衡由其與全身各區(qū)段熱交換的總和計(jì)算

熱療狀態(tài)下人體除了被動(dòng)維持能量平衡外，還存在體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制作用，通過(guò)中樞感溫系統(tǒng)直接對(duì)人體的新陳代謝，血流量和汗液蒸發(fā)做出調(diào)整，從而將體溫維持在一定的范圍。人體溫度控制系統(tǒng)中，調(diào)控的偏差信號(hào)ei定義為每一個(gè)房室當(dāng)前溫度相對(duì)于在基礎(chǔ)狀態(tài)下的調(diào)定溫度的偏差，人體表面蒸發(fā)率、血液灌注率 ω′、代謝產(chǎn)熱會(huì)隨著偏差信號(hào)改變，見(jiàn)表2，詳細(xì)推導(dǎo)可參考文獻(xiàn)［20］。

表2 人體溫度主動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)模型Tab.2 The active control model of human temperature regulation system

3 結(jié)果與討論

3.1 熱療效果計(jì)算結(jié)果與升溫特性評(píng)估

用作與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析的3例患者數(shù)據(jù)均來(lái)源于文獻(xiàn)［8］，系于2004年4月至2004年5月間在北京大學(xué)第一醫(yī)院腫瘤中心參加全身熱療治療的存檔病例。其中，女2例(分別為43歲和60歲，患有肺癌并已發(fā)生轉(zhuǎn)移)，男1例(67歲，肺癌)。3例患者中，第3例男性患者首次參加熱療，熱劑量適中，沒(méi)有熱耐受性，體型與計(jì)算模型相當(dāng)，此處選為主要分析對(duì)象。

如圖1(b)的計(jì)算模型所示，幾何參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)［20］。熱療過(guò)程中微波的發(fā)射平均功率為622.9 W，據(jù)此得出患者體表能流密度后，可由空間微波的連續(xù)性邊界條件計(jì)算透射場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。該電磁場(chǎng)在體內(nèi)發(fā)生熱吸收，相應(yīng)組織的吸收可由微波傳播控制方程求解式以及空間吸收的表達(dá)式(12)計(jì)算。熱療過(guò)程中微波探頭以8 mm/s的速度來(lái)回在胸腹部長(zhǎng)度為32.84 cm的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)特性忽略導(dǎo)入非胸腹部房室的熱量，胸腹部各房室能量在一個(gè)周期移動(dòng)內(nèi)線性增減。熱療過(guò)程中采取冰敷進(jìn)行腦保護(hù)作為向頭部皮膚層注入10W冷量的外熱源。將得到的所有空間熱量作為外部產(chǎn)熱代入每一房室的熱量方程，49個(gè)房室的熱平衡方程(包括48個(gè)房室和1個(gè)血液房室)聯(lián)立求解，可以得到各個(gè)房室的初始溫度值，求解結(jié)果即為設(shè)定點(diǎn)的溫度。對(duì)于加熱過(guò)程中的瞬態(tài)模型采用前向差分離散控制方程，總加熱時(shí)間為9000 s，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為10 s。

圖3顯示了該男性患者的理論和實(shí)際溫度響應(yīng)。熱療中的實(shí)際測(cè)溫點(diǎn)位于直腸末端［8］，屬于腹腔體核層，因此升溫情況應(yīng)該與該層相當(dāng)。測(cè)試時(shí)為防止背景噪聲干擾和異常在直腸末端放置兩個(gè)獨(dú)立測(cè)溫探針，兩測(cè)溫點(diǎn)之間的溫度基本相同;整個(gè)升溫過(guò)程實(shí)測(cè)溫度沿理論曲線上升的過(guò)程略有波動(dòng)，尤其是在加熱初期波動(dòng)較明顯。

圖3 男性病例的直腸實(shí)測(cè)溫度和腹腔體核及肌肉層預(yù)測(cè)溫度Fig.3 Rectum temperature and abdomen core and muscle temperatures of the male patient

將3例患者的兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度序列將時(shí)間平均后，再將三位患者的溫度在每一時(shí)間點(diǎn)做統(tǒng)計(jì)分析，可以得到基于此三例患者的平均升溫情況和偏差，如圖4所示。綜合評(píng)價(jià)與男性患者單一案例的評(píng)估相似，理論曲線和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，每位患者的升溫初期都會(huì)有較大的體溫波動(dòng)。雖然理論模型對(duì)實(shí)際溫度的預(yù)測(cè)性較強(qiáng)，還是可以發(fā)現(xiàn)整條理論曲線除30～60 min的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)之外，無(wú)論是起點(diǎn)還是終點(diǎn)都位于實(shí)測(cè)曲線之下。這一點(diǎn)主要是因?yàn)槿梭w個(gè)體差異性嚴(yán)重，理論模型中用到的人體電磁特性、幾何尺寸和熱學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確調(diào)整。其中，計(jì)算中所采用的幾何參數(shù)尺寸偏大，三例患者中，最后一位為男性患者，與計(jì)算模型的幾何參數(shù)基本相當(dāng)，因此理論和實(shí)測(cè)最高溫分別為40.7℃和40.8℃，升溫幅度也基本相同，由38.1℃和38.0℃的初始溫度開(kāi)始變化，誤差在0.01℃的量級(jí)。而對(duì)于前兩位女性患者，由于其實(shí)際體積和重量均小于計(jì)算模型，獲取熱量后分布耗散也少，相同熱量可以上升到更高的實(shí)際溫度，因此出現(xiàn)了較大差異。熱療結(jié)束時(shí)，兩位女性患者的實(shí)際體溫分別可以達(dá)到41.5℃和41.1℃。

圖4 3例患者溫度響應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析與理論預(yù)測(cè)對(duì)比Fig.4 Temperature comparison between the experimentalresults of3 patients and theoretical analysis

由此可以知道，如果在采用理論模型預(yù)測(cè)前，針對(duì)每一例患者幾何尺寸、電磁特性和熱學(xué)參數(shù)加以調(diào)整，可以大幅提高模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。對(duì)于復(fù)雜的有限元模型，采集幾何參數(shù)需要通過(guò)螺旋CT得到，為患者增加了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，而房室模型作為集總參數(shù)模型，在人體全尺寸的溫度分布方面不需要局部幾何細(xì)節(jié)，可以在很大程度上簡(jiǎn)化獲取幾何參數(shù)的步驟和成本。電磁特性的獲取可以通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)電阻抗分析得到，一般來(lái)說(shuō)這種方法是有損的，但另一方面，配合在臨床中采集到的大量樣本制作成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，對(duì)病例進(jìn)行幾何掃描和簡(jiǎn)單的參數(shù)分析后進(jìn)行智能數(shù)據(jù)匹配，有可能從模型內(nèi)部增加其魯棒性，從而減少病人痛苦。

另一個(gè)給預(yù)測(cè)帶來(lái)困難的原因是微波發(fā)射系統(tǒng)一直在伺服控制系統(tǒng)的調(diào)定下工作，微波實(shí)際發(fā)射功率不穩(wěn)定，如圖3所示。在前兩例女性患者的熱療過(guò)程中，甚至有患者機(jī)體在108～124 min時(shí)出現(xiàn)41.6℃高溫后，發(fā)射電源長(zhǎng)達(dá)16 min被自動(dòng)切斷的發(fā)射間隙。

3.2 體表溫度及紅外熱圖像評(píng)估

全身熱療中部分患者皮膚各處可有不同程度的燙傷，特別是經(jīng)體表加熱，局部皮膚血液循環(huán)不良或散熱不佳，可引起局部皮膚燙傷。穿透深度低的加熱方式中，熱量難以導(dǎo)入深部組織和較低的體核溫度，而采用加大熱劑量則會(huì)造成體表燙傷和脂肪組織過(guò)熱。因此在對(duì)體核溫度進(jìn)行提高和檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)體表溫度加以預(yù)測(cè)和監(jiān)控也是極其重要的。紅外熱成像儀作為全身熱療輔助測(cè)溫工具，可以精確獲得體表溫度。

紅外圖像給出了直觀的體表溫度分布情況，臨床醫(yī)師可由此根據(jù)溫標(biāo)的最高值和高溫區(qū)大致確定體表的熱狀態(tài)。但為了對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算，還必須提取出目標(biāo)器官單位面積上有效的溫度信息進(jìn)行加權(quán)

為此，首先必須將目標(biāo)器官的圖像提取出，根據(jù)紅外溫標(biāo)的編碼規(guī)則，將背景定義為最低溫度，以避免在隨后的計(jì)算中影響結(jié)果。如圖5所示，獲得的紅外圖像通過(guò)RGB圖像編碼空間的顏色分配表對(duì)溫度進(jìn)行定標(biāo)顯示，編碼區(qū)間由黑色的最低溫到紅色的最高溫。處理中，首先需要提取出目標(biāo)組織的信息;其次，根據(jù)編碼規(guī)則將圖像轉(zhuǎn)化為 HSV編碼，進(jìn)一步提取出與溫度一一對(duì)應(yīng)的亮度信息。原始的RGB編碼圖像通過(guò)R、G、B三個(gè)通道的二維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)圖像，任何一個(gè)通道的圖像均與溫度值沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。而HSV編碼中，通過(guò)等自由度的H、S、V三個(gè)通道二位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以得到等信息量的與溫度對(duì)應(yīng)的圖像亮度信息，溫度越高，亮度值愈大。與此同時(shí)，由于原采得紅外圖像為線性定標(biāo)，根據(jù)原圖像的溫度區(qū)間可以換算出目標(biāo)器官表皮的溫度平均值。

分別對(duì)手部和足部的紅外圖像進(jìn)行評(píng)估，得到熱療前后手部平均溫度由26.8℃變?yōu)?5.7℃，相應(yīng)的足部溫度由27.6℃變化為28.8℃，溫度變化趨勢(shì)和幅度和人眼直觀判斷一致。這樣處理的好處有:紅外圖像的采集通常采用平面CCD系統(tǒng)，采集圖像的時(shí)間長(zhǎng)，極易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，運(yùn)動(dòng)偽影部分在邊界低溫區(qū)尤其明顯，產(chǎn)生的畫(huà)質(zhì)一般不高。區(qū)域加權(quán)后由于偽影數(shù)據(jù)點(diǎn)的這種低溫特性使得評(píng)估性能受偽影負(fù)面影響大幅度降低。受CCD成像特性的制約，目標(biāo)器官區(qū)域邊緣物體發(fā)射率低，使圖像評(píng)估結(jié)果往往比真實(shí)平均體表溫度略低，但并不影響熱療前后、不同身體部位紅外圖像之間的數(shù)據(jù)比對(duì)。在需要和一般溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)的情況下，可以通過(guò)對(duì)評(píng)估結(jié)果增加一定平臺(tái)期溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5 手部目標(biāo)組織紅外圖像(溫標(biāo)單位:℃，數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)［8］)。(a)熱療前;(b)熱療后Fig.5 Infrared thermalimageofhand segment(Unit:℃)，data from［8］).(a)before hyperthermia;(b)after hyperthermia

圖6是根據(jù)預(yù)測(cè)模型得到的面部、胸部和足部皮膚的理論溫度響應(yīng)。這三個(gè)體表溫度的變化分別表示了熱療過(guò)程中三種典型的體表溫度行為:(1)臉部由于采取主動(dòng)降溫，平均溫度由36.4℃ 降低到了35.0℃，有1.4℃的平均降溫，與紅外熱圖1.2℃的變化差異在誤差范圍內(nèi);且變化趨勢(shì)均勻，在熱療過(guò)程中曲線沒(méi)有拐點(diǎn)。(2)胸部皮膚一開(kāi)始受到了大量微波輻射和強(qiáng)烈的熱作用，因此在20 min內(nèi)溫度迅速上升，然而隨著散熱機(jī)制被調(diào)動(dòng)，曲線依次出現(xiàn)拐點(diǎn)和極點(diǎn)，在加熱695 s時(shí)出現(xiàn)最高溫度35.6℃，進(jìn)而在外部熱源和散熱機(jī)制的制衡中，伴隨著患者的大量出汗，在熱療結(jié)束后最終溫度為35.4℃。(3)在末梢循環(huán)不暢的足部，由于自我調(diào)節(jié)機(jī)制缺乏，因此溫度在熱療過(guò)程中一直上升，由35.2℃到37.1℃，發(fā)生了1.9℃的平均升溫;雖然在熱療初期，足部遠(yuǎn)離因加熱作用點(diǎn)而出現(xiàn)明顯遲滯，但在后期卻因毛細(xì)血管擴(kuò)張有限，微循環(huán)受限而散熱不佳。對(duì)比紅外評(píng)估中，足部1.2℃的平均增溫，可能的原因是受評(píng)圖像的偽影明顯，雖然紅外評(píng)估結(jié)果仍可以反映大致趨勢(shì)，但在做精確定量評(píng)估時(shí)還是會(huì)受影響。

圖6 局部皮膚的理論溫度響應(yīng)Fig.6 Theoretical temperature response of local skin

值得注意的是，雖然根據(jù)紅外圖像，臉部溫度明顯降低，但這并不意味著顱腔內(nèi)組織有效的降溫。理論計(jì)算中，顱內(nèi)脂肪層和肌肉層溫度有所降低，但顱內(nèi)軟組織溫度一直在升高。事實(shí)上，考慮到腦內(nèi)沒(méi)有有效的散熱機(jī)制，血腦屏障雖然阻擋了傳質(zhì)，卻無(wú)法有效阻擋傳熱，僅僅靠冷敷時(shí)體表由內(nèi)而外的熱傳導(dǎo)和微量對(duì)流散失熱量，內(nèi)層組織的升溫是制約全身熱療的大劑量輸送的重要因素。因此，僅僅靠紅外成像儀對(duì)體表溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和少數(shù)點(diǎn)的溫度采集是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，全身熱療需要更加精準(zhǔn)的溫度刻畫(huà)和控制來(lái)確保其有效性和安全性，也說(shuō)明了建立從熱療機(jī)制到溫度分布重建的高效模型的必要性和緊迫性。

4 結(jié)論

本研究從移動(dòng)式微波全身熱療系統(tǒng)的微波發(fā)射機(jī)理出發(fā)，分析了微波場(chǎng)的發(fā)射和傳輸特性，以及和人體的作用效果及熱轉(zhuǎn)化機(jī)制，進(jìn)而對(duì)人體內(nèi)溫度分布和預(yù)測(cè)提出了理論模型。從理論分析和計(jì)算的過(guò)程知道，一定劑量的微波會(huì)因?yàn)槿梭w的介電特性被吸收，從電磁能的形式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w內(nèi)熱能。熱量進(jìn)而在人體熱物理特性和主動(dòng)生理調(diào)控的作用下在全身范圍內(nèi)帶來(lái)溫升。

人體作為一個(gè)大系統(tǒng)，對(duì)整體熱行為，房室模型是一個(gè)很好的定量化預(yù)測(cè)手段，可以在熱療實(shí)施前期采集重要患者信息，如幾何尺寸和物理參數(shù)，再經(jīng)微波物理場(chǎng)的分析之后，通過(guò)房室模型預(yù)示出全身各組織、器官的溫度分布，從而可以有效的評(píng)估各敏感部位的溫度，同時(shí)也便于與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比剖析，是一種十分重要的輔助臨床治療和檢測(cè)的方法。在此基礎(chǔ)上，醫(yī)師們可在臨床實(shí)踐中有計(jì)劃的采集所需數(shù)據(jù)，建立、完善相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)和病例系統(tǒng)，為更好的實(shí)施全身熱療做指導(dǎo)。

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