치료 집속 초음파

1. 포괄적인 모델링 프레임워크

Sim4Life는 음향 전파, 유도 가열 및 그에 따른 효과 정량화에 대한 이미지 기반 또는 해부학적 모델 기반 시뮬레이션을 위한 포괄적인 환경을 제공합니다: 이미지 통합 및 이미지 기반 모델 생성을 지원하는 IMG 및 iSEG 모듈이 추가되었습니다. 가상 인구(ViP) 3.0 해부학 팬텀은 기기 설계 또는 심층 분석을 위해 환자 집단을 가장 상세하고 정확하게 표현합니다. P-THERMAL 모듈은 살아있는 혈액 관류 조직의 열 현상 모델링에 최적화된 솔버를 추가하고, T-CEM43은 열 조직 손상 및 치료 효능의 정량화를 위한 열 선량 및 효과 평가 모델을 추가합니다. 자세한 내용은 온열 요법을 참조하세요.

P-ACOUSTICS는 이 모든 기능을 완벽하게 통합하여 전례 없는 해상도와 문제 크기로 인체 또는 인공 구조물의 음향 전파를 전파음으로 모델링할 수 있습니다. 이는 하나 또는 여러 개의 그래픽 처리 장치(GPU) 카드의 성능을 활용하여 시뮬레이션을 수 배로 가속화하는 고성능 컴퓨팅(HPC) 기술을 사용했기 때문에 가능합니다.

2. 집중 및 치료 계획

특히 두개골을 열지 않고 초음파 트랜스듀서가 수천 개가 넘는 어플리케이터를 사용하여 뇌의 깊은 곳에 초점을 맞추는 경두개집속초음파의 맥락에서 초점을 개선하는 방법을 연구하는 데 Sim4Life를 적용했습니다. 다양한 초점 접근 방식이 조사되고 비교되었습니다. 가상 소스 접근법(시간 반전 기법이라고도 함)을 사용하여 목표 위치에 소스를 두고 초기 시뮬레이션을 수행하면서 트랜스듀서 요소에서 들어오는 압력파를 기록하는 방식으로 임상적으로 적용되는 방법과 비교했을 때 우수한 결과를 얻었습니다. 그런 다음 실제 초음파 처리를 위해 이러한 신호를 접합하여 적용합니다.

Sim4Life는 두개골에 의한 수차 및 초점 이동의 영향을 보정할 수 있으며 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지 데이터를 기반으로 두개골 뼈의 불균일성을 고려할 수도 있습니다. 그 결과 두개골의 치료 가능 부위를 상당히 확장할 수 있는 가능성을 보여주었습니다.

간에서 하이푸 종양 제거를 모델링할 때는 가상 소스 접근 방식을 4D 애니메이션 해부학 모델과 결합하여 MRI 이미지에서 호흡 동작을 추출하고 신체 모델을 워프하는 데 적용했습니다. 이를 통해 모션 트래킹의 중요성을 연구할 수 있습니다. 또한 가상 소스 접근 방식은 열 모델링과 함께 T-CEM43 모델을 사용하여 평가한 결과 갈비뼈의 부수적인 손상을 줄이는 데 성공했습니다.

3. 볼륨 스캔

Sim4Life 음향 모델링은 온열 암 치료와 같이 넓은 치료 영역을 커버하기 위한 전략을 탐색하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 순차적 초음파 처리(초점이 있는 종양 부피를 연속적으로 스캔)와 체적 초음파 처리(초점 위치의 빠른 인터리빙)를 사용하여 매우 유사한 치료 결과를 얻을 수 있지만 후자는 치료 시간의 절반 이내에 달성할 수 있음을 입증할 수 있습니다. 또한 모델링을 기반으로 일반적으로 적용되는 직사각형 그리드에 규칙적으로 초음파를 배치하는 것보다 우수한 대안으로 비정형 메시 기반 종양 체적 커버리지 전략의 개념을 제안했습니다. 이 접근 방식은 필요한 초음파 처리 횟수를 줄이는 것 외에도 열 모델링을 사용하여 평가한 바와 같이 적응형 메시 개선을 사용하여 냉각 혈관 근처의 열 범위를 개선할 수 있는 가능성을 자연스럽게 제공합니다.

4. 디바이스 디자인

시뮬레이션은 새로운 음향 트랜스듀서를 조사하고 설계하는 데 사용되었습니다. 여기에는 대부분 표면적인 개입을 위해 음향 블레이드와 같은 초점을 가진 새로운 디자인이 포함됩니다. Sim4Life를 사용하여 개발된 또 다른 어플리케이터는 트랜스듀서 요소를 무작위로 배치하여 악명 높은 측면 로브를 줄이고 보다 국소화된 초점을 생성합니다. Sim4Life P-ACOUSTICS는 이미 일반적인 애플리케이터 어레이 설계를 위한 템플릿을 제공합니다.

5. 확인 및 유효성 검사

Sim4Life P-ACOUSTICS는 광범위한 문서 검증 및 검증을 거쳤습니다. 모든 관련 물리적 및 수치적 현상을 식별하고 이를 비판적으로 테스트하는 분석 및 수치 참조 솔루션과 시뮬레이션 결과를 비교하여 구현의 정확성을 검증했습니다. 시뮬레이션 방정식이 현실을 잘 반영하는지 확인하기 위해 음향 초점 내부와 근처에 다양한 모양과 재료 특성을 가진 여러 장애물을 배치하여 3D 로봇 지원 음향 간섭장 측정을 수행할 수 있는 전용 검증 설정을 구축했습니다. 광범위한 불확실성 정량화를 수행하여 측정과 시뮬레이션 간의 우수한 일치도를 확인했습니다.

또한 새로운 선형 음향 제거 장치를 설계하는 동안 하이드로폰 측정을 사용하여 예측된 압력 분포와 측정된 압력 분포를 비교했습니다.