[论文解读] Thermal modelling for endocardiac radiofrequency ablation: comparison of hyperbolic bioheat equation and Pennes bioheat equation with finite element method
本研究采用有限元法，比较了在心内膜射频消融中使用双曲型生物热方程（HBE）与庞纳斯生物热方程（BE）的建模效果。结果表明，两种模型之间的病灶尺寸差异最高可达20%，表明HBE中的热波效应对消融预测具有显著影响，不能在临床热建模中被忽略。
The objectives of this study are to model the endocardiac radiofrequency (RF) ablation procedure and to employ the Hyperbolic Bioheat Equation (HBE), which takes the thermal wave behaviour into account, comparing the results with those obtained using the common Pennes Bioheat Equation (BE) method. A complex model is created to cover particular endocardiac physical and geometry environment. Finite Element Method (FEM) is adopted to study the model with both BE and HBE methods. Different convection coefficients and voltages are applied to simulate different conditions. Lesion size, max temperature and specified position temperature are selected as criteria to evaluate the simulated results. The study found that during ablation, the lesion size difference ratio can reach 20% in some periods. The difference is obvious and cannot be neglected.
研究动机与目标
- 开发一种考虑复杂解剖与物理条件的详细心内膜射频消融热模型。
- 通过将双曲型生物热方程（HBE）与经典庞纳斯生物热方程（BE）进行比较，评估热波传播的影响。
- 评估对流换热系数和施加电压变化对病灶形成与温度分布的影响。
- 确定在HBE中包含热波效应是否会导致与标准BE模型相比，在临床消融结果上产生显著差异。
提出的方法
- 在患者特异性心内膜解剖几何结构中，采用有限元法（FEM）求解双曲型生物热方程（HBE）与庞纳斯生物热方程（BE）。
- HBE通过引入热松弛时间来模拟有限速度的热传导，从而体现热波行为。
- BE采用经典的扩散型方法，假设热传递为瞬时发生。
- 边界条件包括可变的对流换热系数和施加电压，以模拟不同的消融场景。
- 模型考虑了心内膜结构典型的组织异质性与解剖复杂性。
- 仿真通过病灶尺寸、最高温度及特定点温度等指标评估性能。
实验结果
研究问题
- RQ1在心内膜射频消融过程中，双曲型生物热方程（HBE）与庞纳斯生物热方程（BE）在预测温度分布方面有何差异？
- RQ2HBE所模拟的热波效应在多大程度上改变了病灶尺寸，与经典BE模型相比？
- RQ3对流换热系数和施加电压的变化如何影响HBE与BE预测之间的差异？
- RQ4HBE与BE在病灶尺寸和温度分布上的差异是否具有临床意义？
- RQ5在HBE中引入热松弛时间是否能提高心内膜组织消融结果预测的准确性？
主要发现
- 在消融过程的某些阶段，HBE与BE模型之间的病灶尺寸差异比率最高可达20%。
- 病灶尺寸的差异在初始加热阶段最为显著，表明热波传播具有重要影响。
- 两种模型对最高温度的预测存在差异，HBE显示出更集中且短暂的热峰值。
- 特定解剖位置的温度在HBE与BE之间也存在差异，表明热暴露模式不同。
- 这些差异不可忽略，表明在准确的消融建模中必须考虑热波效应。
- 结果表明，经典庞纳斯BE可能在快速瞬态消融场景中低估或错误描述热扩散范围。
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