Comsol经典实例013：射频消融、微波烧蚀肿瘤

Comsol经典实例013：射频消融、微波烧蚀肿瘤肿瘤热疗法通过对肿瘤组织局部加热来治疗癌症，通常还配合进行化疗和放疗。对深部肿瘤进行选择性加热而不破坏周围组织的治疗方法存在两个方面的难题：1）对加热功率和加热空间分布的控制；2）温度传感器的设计和安置。在可用的加热技术中，射频加热和微波加热是临床较为普遍的方法。微波凝固疗法是将细长的微波天线插入肿瘤的技术。微波对肿瘤加热，产生凝固区，以杀死其中的癌细胞。该模型计算了将细长同轴缝隙天线用于微波凝固疗法时肝脏组织中的温度场、辐射场合比吸收率，天线的工作频率为2.45GHz。一、物理场选择及预设研究Step01：打开comsol软件，单击“模型向导”选项创建模型，在模型的“选择空间维度”界面选择“二维轴对称”，在“选择物理场”界面分别选择“射频→电磁波，频域（emw）”，单击“添加”按钮。在“选择物理场”界面分别选择“传热→生物传热（ht）”，单击“添加”按钮。对应变量设置完毕以后，单击“研究”按钮，在“选择研究”树中添加“一些物理场接口的预设研究”中的“频域”研究，单击“完成”按钮进入软件主界面后，将长度单位选择为mm，如图1所示。图1软件主界面二、几何模型1.绘制矩形Step02：右键单击“几何1”节点，在弹出的菜单中选择“矩形”，在“矩形”设置窗口，定位到“大小和形状”栏，在“宽度”文本输入框中输入40，在“高度”文本输入框中输入60。单击“构建选定对象”，如图2所示。图2创建“矩形1”Step03：右键单击“几何1”节点，在弹出的菜单中选择“矩形”，在“矩形”设置窗口，定位到“大小和形状”栏，在“宽度”文本输入框中输入0.6，在“高度”文本输入框中输入50；定位到“位置”栏，在“z”文本输入框中输入10。单击“构建选定对象”，如图3所示。Step04：右键单击“几何1”节点，在弹出的菜单中选择“矩形”，在“矩形”设置窗口，在“标签”文本输入框中输入“介质层”；定位到“大小和形状”栏，在“宽度”文本输入框中输入0.34，在“高度”文本输入框中输入49.9；定位到“位置”栏，在“r”文本输入框中输入0.135，在“z”文本输入框中输入10.1。单击“构建选定对象”，如图4所示。图3创建“矩形2”图4创建“矩形3”Step05：右键单击“几何1”节点，在弹出的菜单中选择“矩形”，在“矩形”设置窗口，定位到“大小和形状”栏，在“宽度”文本输入框中输入0.9，在“高度”文本输入框中输入50；定位到“位置”栏，在“z”文本输入框中输入10。单击“构建选定对象”，如图5所示。图5创建“矩形4”Step06：右键单击“几何1”节点，在弹出的菜单中选择“矩形”，在“矩形”设置窗口，在“标签”文本输入框中输入“空气”；定位到“大小和形状”栏，在“宽度”文本输入框中输入0.125，在“高度”文本输入框中输入1.5；定位到“位置”栏，在“r”文本输入框中输入0.475，在“z”文本输入框中输入16。单击“构建选定对象”，如图6所示。图6创建“矩形5”2.绘制多边形Step07：右键单击“几何1”节点，在弹出的菜单中选择“多边形”，在“多边形”设置窗口，定位到“对象类型”栏，在“类型”下拉菜单中选择“封闭曲线”；定位到“坐标”栏，在“数据源”数据输入表中输入“r：0，z：10”、“r：0.9，z：10”、“r：0，z：9.5”三组数据。单击“构建选定对象”，如图7所示。图7创建多边形3.并集1Step08：右键单击“几何1”节点，在弹出的菜单中选择“布尔操作和分割”下的“并集”选项，在“并集”设置窗口，在“标签”文本输入框中输入“导管”；定位到“并集”栏，选择对象pol1和r4，取消勾选“保留内部边界”复选框；定位到“结果实体的选择”栏，勾选“产生的对象选择”复选框。单击“构建选定对象”，如图8所示。4.差集1Step09：右键单击“几何1”节点，在弹出的菜单中选择“布尔操作和分割”下的“差集”选项，在“并集”设置窗口，定位到“差集”栏，在“要添加的对象”中选择对象uni1和r1，在“要减去的对象”中选择对象r2。单击“构建选定对象”，如图9所示。图8并集1图9差集1三、全局定义Step10：在模型开发器窗口中的“全局定义”节点下，单击“参数1”子节点，在“参数”设置窗口中，输入如图10所示全局参数。图10全局参数四、添加材料1.材料1Step11：在主屏幕工具栏中，单击“添加材料”按钮，打开“添加材料”窗口。在“添加材料”窗口中，选择并双击“生物热→Liver（human）”，然后在“材料”设置窗口，定位到“几何实体选择”栏，选择“域”1；定位到“材料属性明细”栏，将“相对介电常数”值输入为“e_liver”,将“相对磁导率”值输入为1，将“电导率”值输入为“sigma_liver”。如图11所示。2.空材料2Step12：右键单击“材料”节点，在弹出的菜单中选择“空材料”，在“材料”设置窗口，在“标签”文本输入框中输入“导管”；定位到“几何实体选择”栏，选择“域”2；定位到“材料属性明细”栏，将“相对介电常数”值输入为“e_cat”,将“相对磁导率”值输入为1，将“电导率”值输入为0，将“导热系数”值输入为0.65，将“密度”值输入为900，将“恒压热容”值输入为4.5。如图12所示。图11设置“材料1”属性图12设置“空材料2”属性3.空材料3Step13：右键单击“材料”节点，在弹出的菜单中选择“空材料”，在“材料”设置窗口，在“标签”文本输入框中输入“介质层”；定位到“几何实体选择”栏，选择“域”3；定位到“材料属性明细”栏，将“相对介电常数”值输入为“e_diel”,将“相对磁导率”值输入为1，将“电导率”值输入为0，将“导热系数”值输入为401，将“密度”值输入为8960，将“恒压热容”值输入为6.09。如图13所示。图13设置“空材料3”属性4.材料4Step14：在主屏幕工具栏中，单击“添加材料”按钮，打开“添加材料”窗口。在“添加材料”窗口中，选择并双击“Air”，然后在“材料”设置窗口，定位到“几何实体选择”栏，选择“域”4。如图14所示。五、设置物理场1.电磁波，频域Step15：在模型开发器窗口，单击“电磁波，频域（emw）”节点，在“电磁波，频域”设置窗口中，定位到“方程”栏，在“方程形式”下拉列表中选择“频域”，在“频率”下拉列表中选择“用户定义”，在“f”文本输入框中输入f。如图15所示。图14设置“材料4”属性图15设置“电磁波，频域”参数Step16：在模型开发器窗口，右键单击“电磁波，频域（emw）”节点，在弹出的菜单中选择“端口”。在“端口”设置窗口中，定位到“边界选择”栏，选择“边界”8；定位到“端口属性”栏，在“端口类型”下拉列表中选择“同轴”，在“此端口的波激励”下拉列表中选择“开”，在“Pin”文本输入框中输入“P_in”。如图16所示。图16“端口”设置Step17：在模型开发器窗口，右键单击“电磁波，频域（emw）”节点，在弹出的菜单中选择“散射边界条件”。在“散射边界条件”设置窗口中，定位到“边界选择”栏，选择“边界”2、17、19、20。如图17所示。图17“散射边界条件”设置2.生物传热Step18：在模型开发器窗口，展开“生物传热”节点下的“生物组织1”子节点，然后单击“生物热1”子节点。在“生物热”设置窗口中，定位到“生物热”栏，在“Tb”文本输入框中输入T_blood，在“Cp,b”文本输入框中输入Cp_blood，在“ωb”文本输入框中输入omega_blood，在“ρb”文本输入框中输入rho_blood。如图18所示。图18“生物热”设置Step19：在模型开发器窗口，展开“生物传热”节点下的“初始值1”子节点。在“初始值”设置窗口中，定位到“生物热”栏，在“Tb”文本输入框中输入T_blood。如图19所示。六、多物理场Step20：在“物理场”工具栏中单击“多物理场耦合”，然后选择“全局→电磁热”。如图20所示。该步骤是将电磁波产生的热量传递到传热仿真中图19“初始值”设置图20“多物理场”设置七、网格剖分1.分布1Step21：在模型开发器窗口“组件1（comp）”节点下，右键单击“网格1”子节点，在弹出的菜单中选择“自由三角形网格”，如图21所示。图21“自由三角形网格”设置Step22：在模型开发器窗口“组件1（comp）”节点下，单击“网格1→大小”子节点，在“大小”设置窗口中，定位到“单元大小”栏，勾选“定制”复选框，在“最大单元大小”文本输入框中输入“3[mm]”，如图22所示。图22网格大小设置Step23：在模型开发器窗口“组件1（comp）”节点下，右键单击“网格1”子节点下的“自由三角形网格1”子节点，在弹出的菜单中选择“大小”，在“大小”设置窗口中，定位到“几何实体选择”栏，在“几何实体层”下拉列表中选择“域”，选择“域”3；定位到“单元大小”栏，勾选“定制”复选框，然后勾选“最大单元大小”复选框，在“最大单元大小”文本输入框中输入“0.15[mm]”，在“网格1”节点下单击“全部构建”，如图22所示。图23完成网格剖分八、研究1.步骤1：频域Step24：在模型开发器窗口中，单击“研究1”节点下的“步骤1：频域”子节点，在“频域”设置窗口中，定位到“研究设置”栏，在“频率”的文本输入框中输入f；定位到“物理场和变量选择”栏，取消勾选“生物传热（ht）”接口对应的“求解”复选框。如图24所示。2.步骤2：瞬态Step25：在“研