基于稀疏温度测量的微波热疗实时三维温度重建技术及其在肿瘤治疗中的应用

本研究针对微波热疗(HT)中深部肿瘤温度监测的临床难题，提出了一种融合高性能模拟与稀疏测温数据的实时三维温度重建方法。团队通过预治疗阶段构建患者特异性模拟库，结合术中单导管测温数据，实现了ROI（感兴趣区域）内温度场的精准重构（误差<1.1°C）。实验验证显示，该方法在头颈部(H&N)仿体与计算模型中均能突破传统SAR（比吸收率）优化的局限性，为热疗-放化疗联用提供了低成本、微创的实时监控方案，有望推动临床热疗的广泛应用。

　　

在癌症治疗领域，微波热疗（Hyperthermia, HT）作为放疗和化疗的“增敏剂”已得到临床验证——通过将肿瘤细胞加热至42-44°C持续60-90分钟，可显著提升癌细胞对传统治疗的敏感性。然而，这一疗法的广泛应用长期受限于一个关键瓶颈：治疗过程中无法实时掌握患者体内三维温度分布，尤其是深部肿瘤。目前临床依赖的侵入性导管测温仅能提供零星数据点，而MRI热成像又存在成本高、易受运动干扰等缺陷。面对这一挑战，由Giuseppe Vecchi团队领衔的国际研究组在《Nature Communications》发表了一项突破性成果。

研究团队创新性地将“数字孪生”理念引入热疗领域。他们发现，尽管现有模拟技术能预测特定吸收率(SAR)和温度分布，但因组织灌注率等参数存在显著不确定性（如肿瘤灌注率文献值跨度达36-848 ml·min^-1·kg^-1），单纯依赖模拟结果风险极高。为此，团队开发了双阶段解决方案：预治疗阶段通过Sobol序列低差异采样构建包含70种参数组合的模拟库；治疗中则通过单根光纤测温导管（如植入气管的FBG阵列）获取稀疏数据，利用约束最小二乘法(CLS)动态匹配最优温度场。

关键技术包括：

1. 采用Sim4Life V7.0和COMSOL Multiphysics构建高保真头颈部(H&N)仿体（含非均匀肿瘤模型）
2. 基于SAR优化八天线相控阵的馈电系数
3. 通过Pennses生物热方程(PBHE)模拟稳态/瞬态温度场
4. 实验验证采用五组FBG传感器阵列（空间分辨率5mm）监测简化颈仿体

结果部分
Overview of the method and metrics
团队定义了新型评估指标：χ₉₅表示95%ROI区域的误差阈值。在仿真测试中，该方法χ₉₅≤1.1°C，显著优于基于文献参数的基线模型（4.9°C）。关键治疗参数T50/T90（肿瘤区超温50%/90%的阈值）预测中位误差仅0.2°C。

Validation using in-silico testbed
在包含1860种参数组合的大规模测试中，即使仅用间距6mm的6-10个测温点，仍保持χ₉₅<1.1°C的稳定性。值得注意的是，当故意引入20%介电参数变异或5mm几何位移时，系统仍保持0.2°C的中位预测精度。

Experimental testbed
在模拟颈部的肌肉等效仿体中，通过气管内单导管（Array 5）测温重建的全场温度中位误差为0.6°C，验证了微创方案的可行性。FBG传感器实测显示，肿瘤靶区温度较周围组织升高8-12°C，证实了相控阵的选择性加热能力。

结论与意义
这项研究首次实现了热疗过程中“计算模拟+稀疏测量”的实时三维温度监控闭环。相较于现有技术：

1. 比MR热成像成本降低90%以上
2. 突破传统优化方法（如Verhaart等2014年方案）的离线局限
3. 支持气管等自然腔道测温，避免脊髓等敏感区域穿刺风险

团队特别指出，该方法可扩展至射频消融等更高温治疗（>60°C），且通过调整参数库能适应组织灌注的非线性变化（如肌肉在42°C时灌注率突增）。随着数字孪生技术在医疗领域的渗透，这种“预计算+实时校正”的框架有望成为介入治疗监测的新范式。当前成果已通过ESHO（欧洲热疗学会）标准验证，下一步将开展多中心临床转化研究。