一种利用计算建模方法研究高温对肿瘤微环境影响的策略

本研究旨在利用计算建模方法，探讨局部射频热干预对肿瘤生物力学特性的影响。我们将重点关注由肿瘤内部异常血流所导致的高瘤内压力，这是阻碍治疗药物有效分布的主要障碍之一。近年来，射频热疗等干预手段已被探索作为扰动肿瘤微环境的潜在工具，例如通过增加血流量来降低瘤内压力。

这可能会为治疗剂的分布创造更有利的条件，并有望提高患者对治疗的反应。目前用于测量肿瘤内压力的方法依赖于侵入性技术，仅能提供肿瘤内少数位置的定量信息。计算模型可能为评估整个肿瘤内生物物理变量的空间分布特征提供手段。

方案描述了一种计算工作流程，用于揭示组织温度与驱动瘤内压力变化的血流灌注之间的关系。该方案阐述了一个模型几何结构，原则上可模拟体内实验条件，以近似临床热干预情况。本方案还阐述了如何利用计算模型，深化我们对肿瘤微环境的物理参数（如瘤内压力）受局部热干预影响机制的理解。

首先，从“AC/DC 物理”中选择“电场和电流”，从“传热物理”中选择“固体传热”，从“数学物理”中选择“偏微分方程（PDE）接口”，然后从顶部功能区选择“几何”以定义几何结构。接着，根据屏幕上表格中显示的尺寸创建两个圆锥体，并将这两个圆锥体放置在表格中指定的距离位置。

这两个圆锥用于模拟构建双极射频系统所用的两根皮下注射针头。通过调整圆锥尺寸来复制这两个圆锥，以模拟针头的绝缘部分。接下来，选择一个合适高度和直径的圆柱体，用于模拟放置在 Z 值为负九毫米处的背景肌肉组织，同时将 X 和 Y 值保持为零。

选择另一个合适尺寸的圆柱体，用于模拟位于 Z 值为 4 毫米、X 和 Y 值为零处的薄层皮肤。然后，选择一个合适直径的球体，用于模拟位于 Z 值为 -0.5 毫米、X 和 Y 值为零处的皮下肿瘤。接下来，右键单击“定义”，选择“函数”，然后选择“分段函数”。

指定函数名称，并将温度 T 作为函数的自变量。根据显示的方程，为每个温度区间输入相应的数学表达式。使用表格中列出的标称值重复上述步骤，以添加每种组织模型中血流灌注和血管压力的温度依赖函数。

为了建立与电磁热仿真的关联，将血管压力 PV 表示为温度的函数。为了将材料属性分配给几何组件，请进入“材料”部分，右键单击以选择更多材料，然后选择多孔材料。右键单击多孔材料以选择流体和固体组分。

选择流体节点，然后在流体属性下选择血液。选择固体节点，并在固体属性下选择肿瘤。在固体节点中，指定定义为 theta solid 的体积分数。

启用手动选择，并选择与指定材料对应的几何实体。为遵循本方案，假设肿瘤区域为多孔弹性域。在构建双极射频热疗模型后，继续设置电学问题。

右键单击电流通路节点。在显示的图示中，为电边界条件选择端子和接地作为边界。对于端子，手动选择两根针中其中一根上端的近端部分。

已确定的针将提供输入电压。然后，在终端下选择电源并指定适当的值。根据初步的离体实验，本方案选择0.5瓦以实现轻度热疗。

接下来，选择接地，并手动选择第二根针的近端表面，作为返回电流路径的回路电极。对模型的其余外表面施加电绝缘。为设置热问题，选择“传热”和“固体”节点，并将温度的初始值设定为 33 摄氏度。

为了模拟由于血流引起的热沉效应，右键单击固体中的传热，添加热源域，并选择需要考虑热沉效应的几何区域，即肿瘤和正常组织。选择通用热源，随后选择用户自定义，并输入热沉效应的表达式。对于图中所示的热边界条件，右键单击传热，添加热通量作为边界条件，并指定应用该热通量的外部表面。

选择对流热通量作为热通量类型。对于传热系数，使用 H 等于 15 瓦特每平方米每开尔文（15 W/m²·K），以模拟皮肤与空气之间自然热交换的机制。指定外部温度。

使用 T 等于 20 摄氏度来模拟实验室环境中的环境温度。为建立流体动力学问题，选择系数形式偏微分方程（PDE）节点，并指定压力为因变量。在此阶段，系统将自动分配帕斯卡（pascal）作为单位。

将每秒流体导通率作为源项量。定义变量名称以标识本研究中的PI，即组织间液压力。接下来，右键单击系数形式PDE节点并选择系数形式域。

将方程所涉及的几何实体指定为肿瘤。重复相同步骤，并将剩余组织选择为正常组织，需对正常组织应用不同的偏微分方程。对于肿瘤模型，设定显示的系数项，以得到质量守恒方程。

对于肿瘤模型，忽略淋巴系统的作用，将所有其他系数设为零。类似地，对于正常组织模型，设定所示系数以得到质量守恒方程。

对于正常组织，需考虑淋巴系统的贡献。将所有其他系数设为零。然后，右键单击偏微分方程的系数表单，并选择初始值。

选择几何域为肿瘤，并对正常组织模型重复相同步骤。根据表格中列出的值，为肿瘤和正常组织指定PI0。对于流体动力学研究相关的边界条件（如图所示），右键单击系数形式PDE，然后选择狄利克雷边界条件。

选择正常组织区域的外表面，并设置与正常组织相对应的间质压力初始值，记为PI0。最后，为运行模拟，在研究节点中选择频率瞬态。将时间单位指定为秒，并将频率设置为500千赫兹。

在施加0.5瓦功率进行模拟加热15分钟后，超过50%的肿瘤体积达到了轻度热疗状态，靠近针头的肿瘤区域温度超过45摄氏度。与初始条件相比，肿瘤中心的间质流体压力从9毫米汞柱逐渐下降至边缘处的零。在整个肿瘤区域（包括周边区域）内，流体流速未超过0.2微米/秒。

随着时间的推移，距热源不同径向距离处的间质液压力变化趋势各不相同。在距离针尖三毫米范围内，液体压力对温度的快速升高产生响应，但最终在加热结束时未表现出明显变化。然而，肿瘤其余区域的压力则持续下降。