徐燦華，楊 濱，代 萌，尤富生，史學(xué)濤，付 峰，董秀珍

有限元模型在射頻消融設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用

徐燦華，楊 濱，代 萌，尤富生，史學(xué)濤，付 峰，董秀珍

目的：探討有限元模型在射頻消融設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用。方法：通過COMSOL軟件對肝臟射頻消融進(jìn)行有限元建模，在教學(xué)中模擬消融溫度、損傷范圍隨時間的變化，加深學(xué)生對射頻消融設(shè)備的理解。結(jié)果：有限元模型可以模擬消融溫度、損傷范圍隨時間的變化，學(xué)生能夠更好地理解射頻通過熱效應(yīng)對病灶進(jìn)行消融的原理。結(jié)論：采用有限元模型輔助進(jìn)行射頻消融設(shè)備的教學(xué)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

有限元模型；射頻消融；教學(xué)方法

0 引言

《醫(yī)學(xué)儀器》是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)必修課，在生物醫(yī)學(xué)工程人才培養(yǎng)中起著重要作用。為滿足高層次復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求，這門課程不僅要求學(xué)生掌握基本的電子電路原理，能夠使用、維護(hù)、管理好設(shè)備，還要求學(xué)生能夠理解各種設(shè)備設(shè)計的基本原理，在此基礎(chǔ)上，能夠設(shè)計、改進(jìn)、研制好新型設(shè)備[1]。因此，課程不僅要綜合以往的電子電路、微機(jī)原理、傳感器等專業(yè)知識，還要運(yùn)用到基礎(chǔ)物理、生理解剖等多學(xué)科基礎(chǔ)知識。課程具有難度大、內(nèi)容龐雜、綜合性強(qiáng)、知識更新快的總體特點(diǎn)[2-3]。

在各種醫(yī)學(xué)儀器的教學(xué)中，有些設(shè)備，如血壓測量設(shè)備等，測量和電路原理都較為簡單，學(xué)生易于掌握；而有些設(shè)備，如射頻消融設(shè)備，雖然電路不復(fù)雜，但射頻消融的原理卻比較復(fù)雜，學(xué)生掌握起來有不小困難。純粹的理論講授難以適應(yīng)具有研發(fā)能力的高層次復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求，亟須探索一些新的教學(xué)方法。

1 射頻消融基本原理

射頻消融是通過使用射頻消融系統(tǒng)產(chǎn)生射頻能量，對人體局部病灶部位進(jìn)行灼燒，從而破壞局部病灶組織，達(dá)到治愈疾病目的的一種電治療手段，其損傷范圍較小，不會造成機(jī)體危害。主要用于心臟心律異常的治療，還可以用于肺、肝、腎、骨等部位腫瘤的治療。治療腫瘤時，針狀射頻消融電極在影像引導(dǎo)下放置到腫瘤部位，施加射頻激勵后進(jìn)行加熱，從而達(dá)到殺滅腫瘤組織的目的，與傳統(tǒng)治療相比，具有療效高、創(chuàng)傷小、恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)[4]。

射頻治療儀的生理物理學(xué)基礎(chǔ)主要為熱效應(yīng)。射頻本質(zhì)上是指特定范圍內(nèi)的電磁波，為了避免醫(yī)用射頻刺激神經(jīng)和肌肉，使用的交流電頻率大多為200～750 kHz。當(dāng)射頻電流通過治療電極導(dǎo)入組織，流經(jīng)人體組織時，因電磁場的快速變化使得電極針周圍組織中的帶電荷離子受電流影響而發(fā)生振蕩，產(chǎn)生生物熱，當(dāng)局部組織超過45～50℃時，組織凝固壞死，從而達(dá)到治療的目的[5]。

2 射頻消融設(shè)備教學(xué)難點(diǎn)分析

射頻消融設(shè)備作為臨床治療類設(shè)備，是《醫(yī)學(xué)儀器》課程的重要內(nèi)容之一。設(shè)備主要由射頻發(fā)生器和電極2個部分組成，有的還包含測控單元和計算機(jī)控制部分，但都基于相同的原理。射頻發(fā)生器主要根據(jù)需要產(chǎn)生不同功率的持續(xù)或脈沖形式的射頻交流電，電極主要是將射頻電信號施加到人體組織[6]。

射頻消融病灶壞死的區(qū)域與射頻功率大小和治療時間呈正相關(guān)，功率越大，壞死區(qū)域越大，治療時間越長，壞死區(qū)域也越長。此外，壞死區(qū)域還與附件的血流情況密切相關(guān)，特別是附件大血管的血流流動能夠改變消融區(qū)域的溫度分布，從而影響治療效果。病灶壞死區(qū)域周圍正常組織會有一個明顯的分界線，射頻治療對病灶凝固時對周圍正常組織影響很小。

對于已有較好基礎(chǔ)的大四學(xué)生來說，學(xué)習(xí)射頻消融設(shè)備的主要難點(diǎn)不在于射頻信號產(chǎn)生、功率放大等電路部分，而在于掌握射頻消融的生物物理學(xué)基礎(chǔ)，只有深入理解生物物理學(xué)基礎(chǔ)，今后才能夠做到合理改進(jìn)。對于這部分，以往的教學(xué)方法主要是大體描述，學(xué)生死記硬背，對于為什么會產(chǎn)生熱、為什么壞死區(qū)域是局限的、為什么壞死區(qū)域與射頻功率大小和治療時間呈正相關(guān)等問題一知半解。這些疑問得不到解答，就會影響到學(xué)生對設(shè)備的理解。

面對射頻消融設(shè)備復(fù)雜的電磁-熱多耦合場生物效應(yīng)的問題，傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以適應(yīng)高標(biāo)準(zhǔn)的高層次復(fù)合型人才的培養(yǎng)要求，亟須探索新的教學(xué)手段和方法。對此，利用我們的科研優(yōu)勢，在教學(xué)實踐中探索對這種復(fù)雜的電磁-熱多耦合場生物效應(yīng)的問題進(jìn)行有限元建模仿真，將仿真演示與理論講解相結(jié)合，取得了較好的效果。

3 射頻消融有限元建模

3.1 建模軟件介紹

電磁-熱耦合是多場耦合問題，為了實現(xiàn)電磁-熱多耦合場有限元模型，我們選用COMSOL軟件。COMSOL是一款商用多物理場建模與數(shù)值仿真軟件，其特點(diǎn)主要有完全開放的架構(gòu)、內(nèi)嵌豐富的CAD建模工具、全面的第三方CAD導(dǎo)入功能、強(qiáng)大的網(wǎng)格剖分能力和大規(guī)模計算能力，并具有豐富的后處理功能，特別是對于多場耦合問題支持較好，本身就帶有電磁熱耦合功能和示例，十分方便于教學(xué)使用[7]。

3.2 物理學(xué)方程

根據(jù)麥克斯韋方程組，結(jié)合射頻消融實際情況，電流方程可以簡化拉普拉斯方程：

式中，為梯度算子，σ為電導(dǎo)率，V為電壓。邊界條件，電極處設(shè)置為22 V，外側(cè)邊界設(shè)置為接地。

電磁能量對生物組織加熱符合如下生物熱熱力學(xué)方程：

式中，δts為時間縮放系數(shù)，ρ為組織密度，C為組織比熱，k為組織導(dǎo)熱系數(shù)，T為組織溫度，ρb為血液密度，Cb為血液比熱，ωb為血液灌注速率，Tb為血液溫度，Qmet和Qext分別為代謝導(dǎo)致的熱源和外部熱源，代謝導(dǎo)致的熱源忽略不計，電磁-熱耦合場中，Qext= J·E（J為電流密度，E為電場強(qiáng)度）[8]。初始溫度設(shè)置為37℃。

3.3 模型和仿真結(jié)果

我們采用COMSOL自帶的示例模型，演示電極對肝臟組織腫瘤進(jìn)行消融，如圖1所示。用一個大的圓柱形區(qū)域表示肝臟，中間小的圓柱體表示血管，消融電極包含絕緣的套管底座、導(dǎo)電的套管頭和消融電極。對其進(jìn)行有限元剖分，在電極區(qū)域進(jìn)行密剖。設(shè)置好邊界條件進(jìn)行有限元計算[9]。

圖1 有限元模型

圖2為60 s后溫度分布圖像，由圖可見，越靠近電極區(qū)域，溫度越高。為了對50℃臨界溫度區(qū)有更好的認(rèn)識，可以將50℃等溫線畫出。圖3為8 min后50℃等溫線，圖4為10 min后組織壞死區(qū)域。由等溫線和壞死區(qū)域可見，射頻消融設(shè)備的壞死區(qū)域是局限的，對正常組織損害較小。

圖2 60 s后溫度分布圖像

圖3 8 min后50℃等溫線

圖4 10 min后組織壞死區(qū)域

圖5是電極前端組織溫度隨時間變化的曲線。由圖5可以看出，消融時間越長，升溫越高，但也有升溫極限。

圖5 組織溫度隨時間變化曲線

4 射頻消融教學(xué)中有限元仿真演示與理論講解相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)

有限元仿真演示本質(zhì)上是一種模型教學(xué)的方法，只不過這種模型不是一個石膏模型，也不是一個機(jī)殼模型，而是一種以計算機(jī)有限元軟件為工具，實現(xiàn)對人體結(jié)構(gòu)的簡單建模，在此基礎(chǔ)上通過有限元計算，將復(fù)雜的電磁-熱耦合消融的物理過程形象地展示出來的模型。與傳統(tǒng)的純粹理論講解相比，射頻消融教學(xué)中有限元仿真演示與理論講解相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）抽象的概念具體化、形象化，使學(xué)生理解更為方便。純粹理論講解如果只是語言描述，學(xué)生一知半解、死記硬背，知其然，不知其所以然。如果結(jié)合電磁場理論和熱動力學(xué)方程又太抽象，對復(fù)雜公式的理解上似乎比語言描述更為困難。采用有限元建模的方法，可以在數(shù)學(xué)公式與物理現(xiàn)象之間架起橋梁，使得抽象的概念更加具體化、形象化，方便學(xué)生理解生理物理學(xué)基礎(chǔ)。

（2）具有交互式特點(diǎn)，可以觀察各種因素的影響，使學(xué)生理解更為深入。利用計算機(jī)進(jìn)行仿真，一個重要的優(yōu)勢就是可以靈活設(shè)置仿真參數(shù)，通過改變各種參數(shù)，學(xué)生可以主動地來觀察各種因素對于消融的影響，比如增加功率，壞死區(qū)域會發(fā)生怎樣的變化；消融區(qū)域與大血管的距離對于消融效果的影響等。這些因素的影響都是純粹理論講授難以描述到位的，借助有限元模型，可以使學(xué)生切實深入扎實地理解射頻消融的生物物理學(xué)基礎(chǔ)知識。

（3）擴(kuò)展新的知識，使學(xué)生的知識更為全面。有限元計算不是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科的學(xué)習(xí)內(nèi)容。通過射頻消融有限元模型的演示，可以擴(kuò)展學(xué)生的知識面，使學(xué)生的知識更為全面，有利于理解物理場的生物學(xué)效應(yīng)，這些知識儲備還能夠增強(qiáng)學(xué)生走上工作崗位后的工作能力。

（4）培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更加積極主動地學(xué)習(xí)。通過形象的演示，可以幫助學(xué)生克服對復(fù)雜問題的畏難情緒，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對于比較復(fù)雜的問題，學(xué)生都有逃避的想法，如果講得不形象、不透徹，學(xué)生只能硬記，無法積極主動地學(xué)習(xí)，對知識點(diǎn)掌握不牢固。而通過形象生動的演示，則可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生更加積極主動地學(xué)習(xí)，達(dá)到事半功倍的效果。

（5）把握本質(zhì)，了解不足，使學(xué)生更具創(chuàng)新思維。通過對射頻設(shè)備的有限元模型的演示，學(xué)生可以了解射頻設(shè)備的原理本質(zhì)，從中可能發(fā)現(xiàn)不足之處，比如溫度對組織導(dǎo)電性的影響、血管對溫度的影響、導(dǎo)電介質(zhì)的使用、功率波形的選擇等都有可以改進(jìn)之處，對這些改進(jìn)進(jìn)行思考，就可以慢慢培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

5 結(jié)語

生物醫(yī)學(xué)工程高層次復(fù)合型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，對《醫(yī)學(xué)儀器》課程提出了新的要求，電子電路、信號處理的精通并不一定能使學(xué)生達(dá)到研發(fā)改進(jìn)設(shè)備的要求，還需要學(xué)生扎實理解設(shè)備的基本原理，從原理入手，從尋找現(xiàn)有設(shè)備的不足開始，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，才有可能取得更好的效果。針對射頻消融設(shè)備復(fù)雜的電磁-熱耦合問題，本文提出了將有限元建模與理論講授相結(jié)合的新的教學(xué)方法,有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其更好地掌握所學(xué)知識，提高創(chuàng)新能力。

[1]楊濱，徐燦華，邱力軍，等.生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)復(fù)合型《醫(yī)學(xué)儀器》課程教學(xué)的實踐與探索[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2012，20（6）：1178-1 181.

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（收稿：2014-12-16 修回：2015-04-10）

Application of finite element model in teaching radiofrequency ablation device

XU Can-hua,YANG Bin,DAI Meng,YOU Fu-sheng,SHI Xue-tao,FU Feng,DONG Xiu-Zhen
(School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

ObjectiveTo explore the application of finite element model in teaching radiofrequency ablation device.MethodsA simple finite element model of radiofrequency hepatic tumor ablation was built with COMSOL.The tempera ture field and the region of necrotic tissue were simulated with the model for radiofrequency ablation device to deepen understanding of the device.ResultsThe model could simulate the changes of temperature and the students could understand the resistive heating process easily.ConclusionFinite element model can improve the students in learning interest and innovation ability.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：139-141]

finite element model;radio-frequency ablation;teaching method

R318；G642.0

A

1003-8868（2015）07-0139-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.139

國家自然科學(xué)基金課題（51207161）；軍隊面上課題（CWS12J102）

：徐燦華（1984—），男，博士，講師，主要研究方向為醫(yī)學(xué)信號檢測和新型成像技術(shù)，E-mail：canhuaxu@fmmu.edu.cn。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（徐燦華，楊 濱，代 萌，尤富生，史學(xué)濤，付 峰，董秀珍）

董秀珍，E-mail：dongyang@fmmu.edu.cn