がんに対する電気熱療法
機器設計と個別化治療計画のためのモデリング
ハイパーサーミアがん治療（温熱療法）は、放射線療法や化学療法と組み合わせて、さまざまながんの治療に用いられます。これは電磁エネルギーを用いて腫瘍を温和に加熱するもので、しばしば初期反応と生存率の劇的な改善をもたらします。深部の腫瘍に対しては、感受性の高い健常組織への過剰な照射を避けながら腫瘍にエネルギーを集中させるため、一般的にフェーズドアレイが使用されます。人体は不均一な性質が強く、血液灌流や体温調節などの生理的要因の影響もあるため、これは難しい課題である。シミュレーションは、i) 個々の解剖学的構造だけでなく、腫瘍の形状や位置を反映して治療を個別化すること、ii) 頭頸部領域のような困難な場所で制御されたエネルギー沈着を達成できる新しいアプリケータを開発・調査すること、が必要になります。
RFとMW（マイクロ波）アブレーションは、心臓不整脈や癌のような疾患を治療するために、組織を局所的に高温に加熱し、細胞を直接殺すために、間質性（例えば、カテーテルによって組織内に挿入される）アプリケータを使用します。アブレーションの代替エネルギー源としては超音波があります。モデリングは、達成可能なアブレーションゾーンに対する近くの血管系の影響を決定し、カテーテル配置を最適化し、新しいアプリケータを設計するために使用されます。
必要なモデリング機能には、個人に合わせたモデル生成、生体内の生理学的要因を考慮した電磁波・熱シミュレーション、ステアリングパラメータの最適化、結果に関連した効果評価などが含まれます。
方法論
1.患者モデル
Sim4Lifeは、治療計画などのために、医療画像データからパーソナライズされたモデルの生成をサポートします。MRIやCT画像などの幅広い画像データをインポートし、シミュレーションモデルや結果と共同で可視化することができます（IMGモジュール）。統合された画像処理およびセグメンテーションモジュールiSEGは、高度な対話型から自動的なものまで、幅広いセグメンテーションアルゴリズムを提供することにより、解剖学的モデルの迅速な生成を容易にします。これらのアルゴリズムは柔軟に組み合わせることができ、画質を向上させる前処理ルーチンや測定/解析ルーチンによって補完されます。セグメンテーションされた画像は、Sim4Lifeの機能により、シミュレーションに適したサーフェスベースの身体モデルに変換されます。
個人化されたモデルを使用する必要がない場合、例えば、メカニズム調査、アプリケーター開発、または腫瘍の位置と形状を個人化するだけで十分で解剖学的構造を個人化する必要がないと考えられる場合、iSEGで生成された非常に詳細なVirtual Population (ViP)3.0モデルを代わりに使用することができます。
2.EMによる組織加熱
はじめに、電磁エネルギーの堆積が決定されます。Sim4Lifeでは、マルチポートシミュレーション機能によってマルチアンテナシミュレーションの同時セットアップが容易になり、柔軟なコヒーレントおよびインコヒーレント磁場結合が解析機能の一部となっています。電磁場の決定には、周波数と材料特性に応じて、全波P-EM-FDTDまたは準静的P-EM-QSソルバーが最適です。温熱腫瘍学では、一般的に前者が使用され、アブレーション・モデリングでは後者が使用されます。Sim4Lifeに含まれるEMソルバーはすべて、ViP3.0のような複雑な解剖学的モデルからなるセットアップのシミュレーションに最適化されています。また、Sim4Lifeは、誘電特性の割り当てに統合された組織特性データベースの使用を容易にします。
アプリケータとアンテナは、Sim4LifeモデラーCAD機能で設計できます。
P-THERMALモジュールにより、生体内の電磁誘導加熱（過渡および定常）をシミュレートできます。P-THERMALモジュールは、Pennes Bioheat方程式に基づき、代謝およびEM熱源、熱拡散、組織灌流による熱伝達を考慮し、血管拡張による局所的な体温調節および経時的な体芯温上昇を考慮する機能を備えています。外気および内気による対流表面冷却、または皮膚に接触した加熱/冷却水塊、さらに治療部位の大血管の影響も含めることができます。繰り返しますが、Sim4Life組織特性データベースには、幅広い組織の熱および灌流パラメータが含まれています。
治療設定はSim4Lifeで最適化されている
3.治療の最適化
深部ハイパーサーミア治療や複数のカテーテルを用いたアブレーション治療などのフェーズドアレイ・アプリケータでは、個々のアンテナの位相と振幅を最適化することで、感受性の高い組織の露出を避けながら腫瘍を最適にカバーします。SIm4Lifeは、自動的かつ迅速に治療パラメータを最適化し、複数の治療領域の定義や、治療の優先順位や組織の感度を反映した重み付けが可能です。また、フィールドコンバイナツールにより、患者の医用画像データに特定のステアリングパラメータの計算されたエネルギー沈着分布を重ね合わせるなどして、手動で最適化することも可能です。
モデリングは、他の治療パラメータの影響を調査し最適化するためにも使用できます。例えば、表面冷却または加熱のための水ボーラス温度の影響は、個々の治療に対して最適化されます。
Sim4Lifeの熱治療計画ツールは、世界の主要な臨床センターで使用されています。
4.効果評価
誘発される生体内影響は、直接予測するか、熱線量で評価します。Sim4Life(T-CEM43)では、さまざまな組織損傷モデルを利用できます：アレニウスモデルは、アブレーション治療における凝固および壊死ゾーンの組織損傷を直接評価します。温熱腫瘍学では、CEM43熱線量コンセプトの使用が一般的です。CEM43熱線量は、組織部位の熱履歴を、同等の熱効果をもたらすであろう43℃での加熱の分単位で表す。組織固有の材料パラメータに依存しないという利点があり、熱損傷に対するCEM43の閾値は、広範囲の組織と生物学的影響に対して実験的に決定されています。CEM43と治療結果との相関関係は臨床的に確立されています。
5.デバイスの設計
Sim4Lifeは、温熱腫瘍アプリケータやRF/MWアブレーションカテーテルのさまざまな側面を調査するために使用されています：
- フェーズドアレイ深部温熱治療システムで理想的な集束とステアリングの可能性を達成するためのアンテナの最適な3次元配置と配置
- 優れた焦点調節と病変形成のための複数のアブレーションカテーテルと電極を特徴とする配置の検討
- 高効率で負荷依存性の低いアンテナの設計
- 効果的に印加される位相と振幅、およびアンテナ間のクロストークをオンラインで決定し、高い治療管理品質とフィードバック制御を可能にするアプリケータ素子の設計
- 品質保証用ファントムと測定セットアップの開発
優れた焦点制御を持つ新しい頭頸部治療アプリケータ、MRI互換アプリケータ、導波管ベースの表在性温熱治療システム、最大限の使用柔軟性のためのモジュラー治療アプリケータコンセプト、および統合されたオンラインモニタリングとフィードバック制御を持つアプリケータエレメントを含む、様々な新しいアプリケータが製造され、臨床に導入されています。
実験的検証セットアップ（上）とシミュレーション（下）
6.バリデーション
Sim4Lifeによる熱療法のシミュレーションには、さまざまな検証・確認作業が伴います。電磁ソルバーと熱ソルバーは、基礎となる数理モデルの物理現象および数値現象が正しく実装されていることを系統的に検証しました。身体ファントムとロボットセンサースキャンを特徴とする線量測定セットアップは、アプリケータの性能の正しいモデリングを確認しています。熱測定は、ファントム、ボランティア、および患者の赤外線温度計または侵襲的および非侵襲的な熱カテーテル測定のような様々な方法を使用して実行されました。臨床結果は、シミュレートされた線量量と統計的に比較され、重要なホットスポットの予測は、患者と測定フィードバックと相関しています。
手続きの概要
ドキュメンテーション
出版物
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