精細乳腺有限元模型溫度場的仿真與臨床驗證*

秦鵬，李凱揚

(物理科學與技術學院，武漢大學，湖北 武漢 430072)

1 引 言

乳腺癌是全球女性最常見的惡性腫瘤之一，占女性新發癌癥總數的1/4，死亡率占女性癌癥的15%[1]，居女性各類惡性腫瘤死亡率之首。據統計，2012年全球女性乳腺癌新發病例數超過167.7萬，占女性新發癌癥的25.2%[2]，其中中國新發病例數超過18.7萬，乳腺癌發病率己居中國女性惡性腫瘤發病的第一位。

研究表明，早期診斷和早期治療能有效降低乳腺癌死亡率[3]。目前，乳腺疾病常規的檢查方法主要有X射線、超聲、核磁共振成像等影像技術，但這些技術只能顯示機體組織的形態學結構而無法反映或提示機體組織的功能狀態，只有當腫瘤發展到一定的形態大小才有可能被探測到[4-7]。醫用紅外熱像診斷儀是在以往液晶和近紅外等利用熱像原理檢查的基礎上發展起來的，它不同于形態影像學，它所反應的是一些功能上的變化，一些乳腺癌在其早期雖然體積很小但局部的代謝、血流和溫度已發生改變，此時就可以被紅外線熱圖檢查發現，紅外線檢查還可以觀察到一些乳腺異常增生的變化，因此其適用于乳腺癌的早期診斷[8]。

然而，紅外熱像儀雖能靈敏地探測到乳房表面溫度的變化，但乳腺熱圖像的解讀帶有很強的主觀性，造成診斷結果假陽性概率偏高。由于乳腺紅外熱圖像診斷的理論基礎是乳腺組織的熱傳導問題，因此，基于適當的乳腺組織熱傳導模型進行溫度場數值模擬有望為乳腺熱圖像的解讀提供強有力的輔助手段。近年來，在乳腺組織的理論熱傳導模型及其數值模擬方面，已經取得許多進展:Sudharsan等[9～10]先后建立乳腺組織的二維和三維理論模型，深入研究腫瘤對皮表溫度的影響，并探討了聯合數值模擬與人體紅外熱成像兩種技術進行乳腺疾病診斷的可能性；黃鑒等[11]建立了腫瘤檢測抽象模型，采用粒子群算法，根據紅外熱像圖上觀測點的溫度，準確反演出了內部腫瘤未知參數；He等[12]建立了乳腺的耦合數值模型并研究了激光照射對嵌合了腫瘤的乳腺的溫度場影響；楊洪欽等[13]建立了正常和嵌合腫瘤的乳腺數值模型并研究了代謝產熱等一系列因素對乳腺溫度分布的影響；喬慶玲等[14]建立了帶有血管的乳房三維有限元模型，研究了血液流動對腫瘤檢測的影響。然而，上述研究中建立的乳腺模型與乳腺的真實解剖結構有著一定的差距，這些模型都是將乳房中的腺體層和脂肪層分開，而將腺體層看作均勻的半球形，而根據乳房的解剖結構可知，乳房的內部結構為脂肪和結締組織包裹著呈放射狀的腺體，脂肪囊中的致密結締組織和脂肪還形成許多間隔，把乳腺分成若干腺葉。因此，我們認為有必要建立更為逼真的乳腺三維有限元模型來仿真乳腺的溫度場。

本研究基于乳腺組織的生理學特征和解剖學結構，建立了精細的乳腺三維有限元模型，分別對正常和嵌合腫瘤的乳腺模型做了溫度場仿真分析，仿真結果與臨床醫學熱像圖十分吻合。

2 物理問題和數學模型

2.1 三維穩態熱傳導方程

根據能量守恒定律可以得到熱傳導方程[15]在三維坐標系下的關系：

(1)

式中：ρ為組織密度(kg/m3)；C為組織比熱容(J/(kg·℃))；T為待求組織溫度(℃)；k為組織熱導率(W/(m·℃))；Qv為組織的體積產熱率(W/m3)，即熱源項(與熱源半徑R相關)；為梯度算子。由于本研究討論的是乳腺熱穩態溫度場分布，因此式(1)可簡化為：

·(kT)+Qv=0

(2)

求解該熱傳導方程時，需要給定相應的初始條件和邊界條件，即常見的熱傳導方程的三類邊界條件：

(1)第一類邊界條件，規定了邊界的初始溫度；

(2)第二類邊界條件，規定了邊界表面的熱流密度；

(3)第三類邊界條件，利用導熱傳至皮膚表面的熱量等于流體流經表面時所帶走熱量或輻射作用所耗散熱量的關系，建立對流邊界條件，利用換熱系數h表示的垂直于皮膚表面且朝x正方向的對流邊界條件：

(3)

式中T0為環境溫度，h根據不同實際情況可取為：對流換熱系數、輻射換熱系數或兩者之和。

2.2 Pennes生物傳熱方程

在式(1)的基礎之上，考慮到血流對組織傳熱具有不可忽視的影響而加入了一個血液灌注項，從而得到了Pennes生物傳熱方程[16]：

(4)

式中：Wb為血液灌注率(kg/(m3·s))；Cb為血液比熱容(J/(kg·℃))；Tb為血液溫度(℃)。

Pennes方程由于引入了生物效應(血液灌注)而被稱為生物傳熱方程。式中右邊第二項用來反映血液灌注的影響，即動脈血在通過微血管床而進入靜脈的過程中，和血管周圍組織換熱。Pennes方程由于形式簡單，又抓住了影響生物傳熱的兩個最主要的因素，至今仍然是應用最廣泛的生物傳熱模型[17]。本研究由于在模型中并未建立單獨的血管，因此，在仿真過程中將血液灌注率看作均勻的內熱源，并與組織的體積產熱率合并為一項，記為Q，最終用于求解乳腺溫度場分布的方程為：

(5)

2.3 ANSYS穩態熱分析的基本過程

穩態傳熱用于分析穩定的熱載荷對系統或部件的影響，因此本研究中我們采用的是ANSYS中的穩態熱分析方法進行乳腺溫度場仿真。

ANSYS熱分析可分為三個步驟：

(1)前處理：建模；

(2)求解：施加載荷計算；

(3)后處理：查看結果。

在前處理中，我們綜合考慮了網格精度和計算時間等因素，在網格劃分時選擇了solid70單元。求解過程中，在皮膚表面施加了對流載荷，在肌肉層底部施加了恒定溫度載荷，在腫瘤區域施加了熱生成率載荷。經過后處理，得到了各種乳腺模型的溫度場分布和節點溫度。

2.4 乳腺精細結構建模

正常女性乳腺組織的解剖結構見圖1，根據該解剖結構我們可以將乳腺組織分為四層：肌肉層、腺體層、皮下脂肪層和皮膚層。據此我們建立了四種三維乳腺模型，它們分別是傳統三維均勻結構乳腺模型(見圖2)、正常精細乳腺模型(見圖3)、單腫瘤精細乳腺模型(見圖4)和雙腫瘤精細乳腺模型(見圖5)。由于乳腺腺體形狀不規則，而在經典ANSYS中建立不規則的實體模型較為困難，因此，圖中腺體部分是在Pro/Engineer中完成建模然后導入到ANSYS中。圖6是采用自由網格劃分后的單腫瘤精細乳腺模型的截面圖。

圖1 乳腺解刨結構圖

圖2 傳統均勻結構乳腺模型

圖3 正常精細乳腺模型

圖4 單腫瘤精細乳腺模型

圖5 雙腫瘤精細乳腺模型

圖6 單腫瘤精細乳腺模型網格劃分示意圖

3 實驗方法和結果分析

本研究建立的四種模型半徑均為72 mm，在肌肉層的底面為定壁溫，溫度為37℃。皮膚層的上表面與環境發生自然對流，其換熱方程見式(3)，其中h取10 W/(m·K)，環境溫度T0為27℃。由于ANSYS熱穩態分析中材料熱性能參數只需要定義導熱系數，因此只給出乳腺各組織的熱傳導系數[10]，見表1。

3.1 正常乳腺溫度場仿真

在體內無異常熱源的情況下，分別對傳統均勻結構乳腺模型和精細乳腺模型做了溫度場仿真，圖7和圖8顯示了兩種模型在x-y截面上的溫度場分布。由圖7和圖8可以看出，正常乳腺的溫度從肌肉層到皮膚層逐漸降低，以y軸為中心近似對稱分布。可明顯看到，傳統模型的溫度場呈線性變化，而精細模型的溫度場由于其結構的差異則呈非線性變化。由于腺體的熱傳導系數比脂肪大，因此溫度在腺體中傳遞更快，正是這種脂肪和腺體的鑲嵌結構造成了精細乳腺模型溫度場的非線性變化。

表1 乳腺各組織的熱傳導系數

圖7精細乳腺模型x-y截面溫度場分布

Fig7Temperaturedistributionoffinebreastmodelinx-ycrosssection

圖8 傳統均勻乳腺模型x-y截面溫度場分布

3.2 嵌合單腫瘤乳腺溫度場仿真

圖4是嵌合單個腫瘤的精細乳腺模型，其中腫瘤的直徑為10 mm，位于脂肪層中，施加強度為0.23 W/m3的生熱率。圖9顯示了乳腺皮表的三維溫度分布，可以看出體內的異常熱源引起皮表局部溫度升高。圖10顯示了乳腺在x-y截面上的溫度場分布。

3.3 嵌合雙腫瘤乳腺溫度場仿真

圖5是嵌合兩個腫瘤的精細乳腺模型，其中腫瘤A的直徑為10 mm，位于脂肪層中，腫瘤B直徑為15 mm，位于腺體層中，均施加強度為0.23 W/m3的生熱率。圖11顯示了乳腺皮表的三維溫度分布，可以看出體內兩個異常熱源分別引起皮表局部溫度升高。圖12顯示了乳腺在x-y截面上的溫度場分布，可以看出由于腫瘤B生長時間更長，體積更大，腫瘤B中心溫度高于腫瘤A。

圖9 單腫瘤精細乳腺模型溫度場分布

圖10 單腫瘤精細乳腺模型x-y截面溫度分布

圖11 雙腫瘤精細乳腺模型溫度場分布

3.4 臨床醫學熱像圖驗證

為了驗證仿真結果的可靠性，我們分別找了一例惡性乳腺腫瘤熱像圖(見圖13)和一例良性乳腺腫瘤熱像圖(見圖14)與仿真結果做對比。

圖12 雙腫瘤精細乳腺模型x-y截面溫度分布

圖13 右乳浸潤性導管癌

圖14 右乳慢性炎伴膿腫

正常人體乳房皮表溫度在34～35℃，依體質不同略有差異，體內病灶如腫瘤等則會引起體表溫度分布發生變化。圖13中患者左、右乳房溫度分布明顯不對稱，右乳病灶區皮表平均溫度37.3℃，而健側乳房皮表平均溫度為34.8℃，溫差為2.5℃；而病灶區皮表最高溫度更是高達37.9℃，比乳房皮表正常溫度高3.1℃。圖14中患者左、右乳房溫度分布也存在不對稱區域，右乳病灶區皮表平均溫度為36.3℃，健側乳房皮表平均溫度為35.2℃，溫差為1.1℃；病灶區皮表最高溫度為36.7℃，比乳房皮表正常溫度高1.5℃。從臨床熱像圖中可以看出，與健側乳房相比，惡性腫瘤和良性腫瘤均會引起乳房局部溫度升高，不同的是，良性腫瘤所引起的高溫區域較大，溫差較小，而惡性腫瘤所引起的高溫區域較小，溫差較大。

將單腫瘤精細乳腺模型的仿真結果與臨床惡性腫瘤的熱像圖對比，我們發現兩者的溫度場分布是一致的，都是在病灶區皮表有一個異常的高溫區。以惡性腫瘤皮表溫度最高點為中心，對稱地取若干點，得到的溫度分布見圖15。從圖中可以看出仿真結果和臨床數據十分吻合，而且我們可以通過調整模型內腫瘤的深度和熱源強度將臨床熱像圖精確的模擬出來，給乳腺癌的熱成像檢測提供重要的參考依據。

圖15 腫瘤區域皮表溫度分布

4 結論

利用大型通用有限元軟件ANSYS和三維軟件Pro/Engineer聯合建立了精細乳腺三維模型，研究了在穩態條件下正常和嵌合腫瘤的精細乳腺模型的三維溫度分布，并與臨床試驗結果做對比分析。研究結果表明，精細乳腺模型與傳統均勻結構乳腺模型相比更接近人體乳房的真實結構，內部溫度場分布也更接近人體組織的真實溫度分布；嵌合腫瘤的精細乳腺模型溫度場仿真結果表明體內異常熱源會引起組織局部溫度場變化，當熱源強度足夠大時會改變體表溫度場分布；對比臨床惡性腫瘤和良性腫瘤熱像圖，我們發現惡性腫瘤會在體表引起較小的高溫區域，最高溫差可達3.1℃，平均溫度比正常區域高出2.5℃，良性腫瘤會在體表產生較大范圍的高溫區域，平均溫度比正常區域高出1.1℃；通過調整單腫瘤乳腺精細模型中腫瘤的深度和熱源強度得到的乳腺溫度場分布與臨床惡性腫瘤的熱像圖十分吻合。本研究建立的精細乳腺模型和仿真結果將會為乳腺癌的熱成像檢測提供重要的參考依據。