CST仿真實例:熱療Hyperthermia -生物模型,血液對流,多物理
這期我們看一個自帶案例,高溫?zé)岑?。和射頻消融術(shù)一樣,都是用電磁能量加熱局部腫瘤組織,從而達到治療目的。
打開案例:
該案例是模擬直腸癌患者的治療,為了防止皮膚表面對電磁波的強反射,案例用了一個圓柱水材料模型模擬水袋。
天線是8個偶極子,材料和床板都是有熱仿真參數(shù)的PEC:
再看組織材料,是voxel像素模型:
其中血管除了熱仿真參數(shù),還有個bloodflow,人體血液灌注率(bloodperfusion coefficient),與溫度相關(guān);這個數(shù)據(jù)可由血液流速和密度等數(shù)據(jù)進行推導(dǎo),詳情見幫助文檔。
再看肌肉,血液灌注率明顯沒血液高,但是多了一個新陳代謝率:
再看皮膚,又多了一個體表對流系數(shù):
其他幾十種人體組織材料我們就不看了。
下面查看仿真設(shè)置,電磁和熱耦合任務(wù)在電路中:
其中HF是高頻仿真子任務(wù),我們看一下求解器的激勵情況,可見是同時激勵的:
實際操作中,激勵不會這么簡單,多振幅和相位的調(diào)整就可以控制高溫的區(qū)域。功耗監(jiān)視器已添加,后處理中添加了計算熱損耗的模板,這兩樣都是電磁和熱耦合仿真的重點:
熱仿真用的THs穩(wěn)態(tài)求解器,等下再看,我們直接主任務(wù)電路中更新全部子任務(wù)開始仿真:
先看看HF這個子任務(wù)的電磁結(jié)果,電磁造成的熱損是3.35W:
損耗密度:
然后我們?nèi)サ綗岱抡孀尤蝿?wù),功率是電磁結(jié)果放大了50倍;這里有個特殊設(shè)置,計算血液流動:
查看溫度分布:
這里熱仿真還加了一些后處理,從模板名字看可知都是一些結(jié)果參數(shù)的再提?。?/p>
其實這些結(jié)果都在1D結(jié)果里面了,再提取就成了0D結(jié)果:
這里我們就看這個heat flow value的結(jié)果文檔就好了,是個總結(jié):
可見熱源和熱流向包括:
1. 生物新陳代謝產(chǎn)熱99.732W
2. 血液灌注組織產(chǎn)熱41.197W
3. 電磁損耗產(chǎn)熱167.940W
4. 生物模型對流散熱307.111W
所以,總熱量為99.732+41.197+167.940-307.111=1.758W。
可能這里有人問了,血流為什么是產(chǎn)生熱量?不是應(yīng)該像水冷電腦那樣排出熱量嗎?這是因為溫度升高,血管擴張,流速加快,增加組織散熱,這個效果就相當(dāng)于血液本身產(chǎn)熱了,并且是和溫度呈線性相關(guān)的,所以bloodflow系數(shù)有個K,而新陳代謝系數(shù)中沒有K。
如果看熱流密度的話,可見主要流動發(fā)生在直腸熱點附近,和周圍脂肪進行的的熱交換;以及皮膚表面和環(huán)境之間的熱對流,以及后背和桌面之間的熱傳導(dǎo)。
小結(jié):
1. 本案是生物模型的電磁與熱仿真,考慮新陳代謝、體表散熱以及血流對溫度的影響;
2. 本案例只是簡單演示,并沒有對射頻激勵、熱點、網(wǎng)格收斂等內(nèi)容進行深入分析。
3. 本案例是穩(wěn)態(tài)溫度結(jié)果,若需要研究瞬態(tài)的加熱過程,可用Tht求解器。