治療用焦点超音波
音響エネルギーを正確にターゲットに届ける
集束超音波(FUS)および高強度FUS(HIFU)は、腫瘍切除、てんかん、運動障害、慢性疼痛の治療、可逆的血液脳関門 開放(例えば、パーキンソン病治療薬の取り込みを増加させる)、血栓溶解、神経刺激など、広範な医療治療に有用な応用が見出されている。外科的手術を必要とせず、人体深部をターゲットにできる可能性がある。そのメカニズムには、熱的なもの（熱アブレーションなど）と非熱的なものがある。音響伝搬は、骨、空洞、露出領域内の一般的な解剖学的構造の影響を受け、集束能力を低下させ、不要な二次病巣を発生させることがある。フェーズドアレイ変換器では、特定のターゲット形状、位置、患者の解剖学的構造に適したステアリングパラメータを特定できれば、収差補正が可能である。モデリングは、新しいアプリケータと患者に特化した治療計画の調査と設計を可能にする。
方法論
1.包括的モデリングの枠組み
Sim4Lifeは、画像ベースまたは解剖学モデルベースの音響伝搬、誘導加熱、およびその結果の効果定量化のための包括的なシミュレーション環境を提供します：IMGモジュールとiSEGモジュールは、画像統合と画像ベースのモデル生成をサポートします。Virtual Population (ViP)3.0の解剖学的ファントムは、装置設計や詳細な解析のために、患者集団の最も詳細で正確な表現を提供します。P-THERMALモジュールには、生体、血液灌流組織の熱現象のモデリングに最適化されたソルバーが追加され、T-CEM43には、熱組織損傷と治療効果の定量化のための熱線量および効果評価モデルが追加されています。詳細については、熱療法を参照してください。
P-ACOUSTICSは、これらすべての機能をシームレスに統合し、人体や人工構造物における音響伝播の全波モデリングを、これまでにない解像度と問題サイズで実現します。これは、1枚または複数のGPUカードのパワーを利用してシミュレーションを桁違いに高速化するハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）技術の使用により可能になりました。
2.フォーカシングと治療計画
Sim4Lifeは、特に経頭蓋集束超音波（頭蓋骨を開くことなく脳の深部をターゲットとするために、1000個以上の超音波トランスデューサを備えたアプリケータが使用される）において、集束を改善する方法を調査するために適用されました。様々な集束アプローチが研究され、比較されてきた。バーチャル・ソース・アプローチ（時間反転法としても知られる）を用いることで、臨床的に応用されている方法と比較しても、優れた結果が得られました。このアプローチでは、トランスデューサー・エレメントに入射する圧力波を記録しながら、ターゲット位置にソースを置いて初期シミュレーションを行います。実際の超音波処理では、これらの信号を共役させて適用します。
Sim4Lifeでは、頭蓋骨に起因する収差や焦点移動の影響を補正することができ、さらにCT（コンピュータ断層撮影）画像データに基づく頭蓋骨の不均一な性質を考慮することも可能です。この結果は、頭部の治療可能領域を大幅に拡張できる可能性を示している。
肝臓におけるHIFU腫瘍焼灼をモデル化する際、仮想ソース・アプローチを4Dアニメーション解剖学モデルと組み合わせ、MRI画像から呼吸運動を抽出し、身体モデルのワープに適用した。これにより、モーショントラッキングの重要性を研究することができる。さらに、バーチャルソースアプローチは、熱モデリングと組み合わせたT-CEM43モデルを用いて評価したように、肋骨への付随的損傷を減らすことに成功している。
3.ボリュームスキャン
Sim4Life音響モデリングは、例えばハイパーサーミアがん治療を実現するために、広い治療領域をカバーする戦略を探るために使用することができる。例えば、逐次的な超音波照射（焦点による腫瘍体積の連続的な走査）と体積的な超音波照射（焦点の配置の迅速なインターリーブ）を用いて、非常によく似た治療結果が得られるが、後者の方が半分の治療時間で達成できることを実証できる。また、一般的に適用されている矩形グリッド上への超音波照射の規則的配置に代わる優れた方法として、非構造メッシュに基づく腫瘍体積カバー戦略の概念がモデリングに基づいて提案された。必要な超音波照射の回数を減らすだけでなく、このアプローチは、熱モデリングを用いて評価したように、適応的なメッシュの細分化を用いることにより、冷却血管付近の熱カバレッジを改善する可能性を当然提供する。
4.デバイスの設計
シミュレーションは、新しい音響トランスデューサーを調査・設計するために使用されている。これには、ほとんど表面的なインターベンションのための音響ブレードのような焦点を持つ新しい設計が含まれる。Sim4Lifeを使用して開発された別のアプリケータは、悪名高いサイドローブを減らし、より局所的な焦点を生成するためにトランスデューサエレメントのランダム配置を使用しています。Sim4Life P-ACOUSTICSは、すでに一般的なアプリケータ配列設計のテンプレートを提供しています。
5.検証と妥当性確認
Sim4Life P-ACOUSTICSは、広範かつ文書による検証と妥当性確認を受けています。実装の正しさは、関連するすべての物理的および数値的現象を特定し、シミュレーション結果を、これらを批判的に検証する解析的および数値的な参照解と比較することによって検証されました。シミュレーションされた方程式が現実を捉えていることを確認するために、音響焦点内およびその近傍に配置された形状や材料特性の異なる複数の障害物の後流において、ロボットに支持された3次元音響干渉場計測を可能にする専用の検証セットアップが構築されました。広範な不確かさの定量化が実施され、測定とシミュレーションの間の優れた一致を確認するために使用されました。
さらに、ハイドロフォンの測定は、新しい線形音響アブレーション装置の設計中に、予測された圧力分布と測定された圧力分布を比較するために使用されました。
ドキュメンテーション
出版物
- Kennedy, J. E., G. R. Ter Haar, and D. Cranston."高強度集束超音波：未来の手術？".The British journal of radiology (2014).
- Jolesz, Ferenc A. "MRIガイド下集束超音波手術".Annual review of medicine 60 (2009)： 417.
- Kyriakou, Adamos, et al. "A review of numerical and experimental compensation techniques for skull-induced phase aberrations in transcranial focused ultrasound.".International Journal of Hyperthermia 30.1 (2013)：36-46.
- Kyriakou, Adamos, et al. "Full-wave acoustic and thermal modeling of transcranial ultrasound propagation and investigation of skull-induced aberration correction techniques: a feasibility study.".Journal of therapeutic ultrasound 3.1 (2015): 1-18.
- Neufeld, Esra, et al. "Modeling, effect prediction, and planning for EM-and FUS-based thermal treatment.".Antennas and Propagation (EuCAP), 2014 8th European Conference on.IEEE, 2014.
- Paulides, Margarethus M., et al. "Simulation techniques in hyperthermia treatment planning.".International Journal of Hyperthermia 29.4 (2013)：346-357.
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