治疗癌症的电热疗法

设备设计和个性化治疗规划建模

热疗癌症疗法（热疗肿瘤学）与放疗和/或化疗相结合，用于治疗多种癌症。它利用电磁能对肿瘤进行轻度加热，通常能显著改善初始反应和提高存活率。对于深部肿瘤，通常使用相控射频（RF）阵列将能量瞄准肿瘤，同时避免过度照射敏感的健康组织。由于人体具有强烈的非均质性以及血液灌注和体温调节等生理因素的影响，这是一项要求很高的任务。需要进行模拟：i）反映肿瘤形状和位置以及个体解剖结构的个性化治疗；ii）开发和研究能够在具有挑战性的部位（如头颈部）实现可控能量沉积的新型涂抹器。

射频和 MW（微波）消融利用间隙（插入组织内，如导管）施用器将局部组织加热至高温，从而直接杀死细胞，治疗心律失常或癌症等疾病。消融能量的替代来源包括超声波。建模用于确定附近血管对可实现消融区域的影响、优化导管位置以及设计新型施用器。

所需的建模功能包括个性化模型生成、考虑体内生理因素的电磁和热模拟、转向参数优化以及与结果相关的效果评估。

方法

1.病人模型

Sim4Life 支持根据医学影像数据生成个性化模型，例如用于治疗规划。可以导入核磁共振成像和 CT 图像等多种图像数据，并与仿真模型和结果（IMG 模块）共同可视化。集成图像处理和分割模块iSEG可提供多种分割算法（从高度交互式到自动），灵活组合，并辅以预处理程序来提高图像质量和测量/分析程序，从而帮助快速生成解剖模型。然后，利用 Sim4Life 功能将分割后的图像转换为适合模拟目的的基于表面的人体模型，该功能可确保创建高质量、无自相交、拓扑兼容的网格。

如果不需要使用个性化模型，例如用于机理研究、涂抹器开发，或者只需要个性化肿瘤位置和形状而不需要解剖结构，则可以使用 iSEG 生成的高度详细的虚拟人群 (ViP)3.0 模型。

2.EM-Induced Tissue Heating

首先要确定电磁能量沉积。在 Sim4Life 中，多端口仿真功能有助于同时设置多天线仿真，而灵活的相干和非相干场组合是分析功能的一部分。根据频率和材料特性，全波P-EM-FDTD或准静态P-EM-QS仿真器最适合用于确定电磁场。在热肿瘤学中，前者是典型的选择，而消融建模通常受益于后者。Sim4Life 中包含的所有电磁求解器都经过了优化，可用于模拟包括复杂解剖模型（如 ViP3.0 模型）的设置。Sim4Life 还便于使用集成组织属性数据库分配介电属性。

可以使用 Sim4Life 建模 CAD 功能设计涂抹器和天线。

体内电磁诱导加热（包括瞬态和稳态）可通过P-THERMAL模块进行模拟。该模块基于 Pennes 生物热方程，考虑了新陈代谢和电磁热源、热扩散以及组织灌注的热传导，并具有通过血管扩张进行局部体温调节以及随时间推移体核温度升高的功能。外部和内部空气或与皮肤接触的加热/冷却水球的对流表面冷却以及治疗区域大血管的影响也可包括在内。此外，Sim4Life 组织特性数据库还包括各种组织的热参数和灌注参数。

带有人体模型（包括癌症）和用于电磁治疗的相控阵涂抹器的照射装置模型。治疗设置通过 Sim4Life 进行了优化。

3.优化治疗

对于相控阵涂抹器，例如在深部热疗或使用多导管的消融治疗中，需要对各个天线的相位和振幅进行优化，以达到最佳的肿瘤覆盖率，同时避免暴露敏感组织。SIm4Life 提供自动、快速的治疗参数优化功能，可定义多个治疗区域，并通过加权来反映治疗优先级和组织敏感性。此外，还可以通过场组合工具进行手动优化，例如，在患者的医学影像数据上叠加特定转向参数集的计算能量沉积分布。

建模还可用于研究和优化其他治疗参数的影响。例如，通常会对用于表面冷却或加热的水波温度的影响进行优化。

Sim4Life 热疗规划工具已在全球一系列领先的临床中心投入使用。

4.效果评估

诱导的体内效应可以直接预测，也可以通过热剂量进行评估。Sim4Life(T-CEM43) 中提供了多种组织损伤模型：阿伦尼乌斯模型可直接评估消融治疗中凝固区和坏死区的组织损伤。在热疗肿瘤学中，CEM43 热剂量概念的使用很普遍。CEM43 热剂量表示组织位置的热历史，即在 43 摄氏度下加热几分钟会产生等效热效应。它的优点是不依赖于组织特定的材料参数，而且 CEM43 热损伤阈值已通过实验确定，适用于多种组织和生物效应。CEM43 与治疗效果之间的相关性已在临床上得到证实。

5.设备设计

Sim4Life 已被用于研究热疗肿瘤应用器和射频/毫瓦消融导管的各个方面，例如

天线的最佳 3D 排列和位置，以实现相控阵深度热疗系统的理想聚焦和转向潜力
探索具有多个消融导管和电极的排列方式，以实现出色的聚焦转向和病灶塑形
设计具有高效率和低负载依赖性的天线
设计可在线确定有效应用相位和振幅以及天线间串扰的涂抹器元件，实现高治疗管理质量和反馈控制
开发质量保证模型和测量装置

已制造出一系列新型涂抹器并将其应用于临床，包括具有卓越聚焦控制功能的新型头颈部治疗涂抹器、磁共振成像兼容涂抹器、基于波导的浅层热疗系统、可实现最大使用灵活性的模块化治疗涂抹器概念，以及具有集成在线监测和反馈控制功能的涂抹器元件。

在使用 Sim4Life 模拟热疗法的同时，还进行了一系列验证和确认工作。实验验证设置（上）和模拟（下）。

6.验证

在使用 Sim4Life 模拟热疗法的同时，还进行了一系列验证和确认工作。对电磁和热解算器进行了系统验证，以确保正确执行基础数学模型的物理和数字现象。以人体模型和机器人传感器扫描为特色的剂量测定设置确保了对涂抹器性能的正确建模。热测量采用了多种方法，如红外测温或对人体模型、志愿者和患者进行有创和无创热导管测量。临床结果与模拟剂量进行了统计比较，关键热点的预测与患者和测量反馈相关联。

程序概述

文件

出版物

van der Zee, Jill. "Heating the patient: a promising approach?." Annals of oncology 13.8 (2002): 1173-1184.
Neufeld, Esra. High resolution hyperthermia treatment planning. Hartung-Gorre Verlag, 2008.
Neufeld, Esra. "Numerical modeling for simulation and treatment planning of thermal therapy." Physics of Thermal Therapy: Fundamentals and Clinical Applications (2012): 119.
Paulides, Margarethus M., et al. "Simulation techniques in hyperthermia treatment planning." International Journal of Hyperthermia 29.4 (2013): 346-357.
Paulides, Margarethus M., et al. "The HYPERcollar: A novel applicator for hyperthermia in the head and neck." International Journal of Hyperthermia 23.7 (2007): 567-576.
Paulides, Margarethus M., et al. "The clinical feasibility of deep hyperthermia treatment in the head and neck: new challenges for positioning and temperature measurement." Physics in medicine and biology 55.9 (2010): 2465.
Togni, Paolo, et al. "Electromagnetic redesign of the HYPERcollar applicator: toward improved deep local head-and-neck hyperthermia." Physics in medicine and biology 58.17 (2013): 5997.
Verhaart, René F., et al. "Temperature simulations in hyperthermia treatment planning of the head and neck region." Strahlentherapie und Onkologie 190.12 (2014): 1117-1124.
van Rhoon, Gerard C., et al. "CEM43° C thermal dose thresholds: a potential guide for magnetic resonance radiofrequency exposure levels?." European radiology 23.8 (2013): 2215-2227.
Karampatzakis, Andreas, et al. "Heating characteristics of antenna arrays used in microwave ablation: A theoretical parametric study." Computers in biology and medicine 43.10 (2013): 1321-1327.
de Bruijne, Maarten, et al. "Effects of waterbolus size, shape and configuration on the SAR distribution pattern of the Lucite cone applicator." International journal of hyperthermia 22.1 (2006): 15-28.
de Bruijne, Maarten, et al. "Quantitative validation of the 3D SAR profile of hyperthermia applicators using the gamma method." Physics in medicine and biology 52.11 (2007): 3075.
Paulides, Margarethus M., et al. "Laboratory prototype for experimental validation of MR-guided radiofrequency head and neck hyperthermia." Physics in medicine and biology 59.9 (2014): 2139.
Rijnen, Zef, et al. "Clinical integration of software tool VEDO for adaptive and quantitative application of phased array hyperthermia in the head and neck."International Journal of Hyperthermia 29.3 (2013): 181-193.

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P-Thermal 模块验证
P-Thermal 模块验证