암에 대한 전기 온열 요법
기기 설계 및 개인 맞춤형 치료 계획을 위한 모델링
온열 암 치료(온열 종양학)는 다양한 암을 치료하기 위해 방사선 및/또는 화학 요법과 함께 사용됩니다. 온열 암 치료는 전자기 에너지를 사용하여 종양을 약하게 가열하여 초기 반응과 생존율을 극적으로 개선하는 경우가 많습니다. 심부 종양의 경우 일반적으로 민감한 건강한 조직의 과다 노출을 피하면서 종양에 에너지를 조준하기 위해 위상 고주파(RF) 어레이를 사용합니다. 인체의 매우 불균질한 특성과 혈액 관류 및 체온 조절과 같은 생리적 요인의 영향으로 인해 이는 까다로운 작업입니다. 시뮬레이션은 i) 종양의 모양과 위치, 개인의 해부학적 구조를 반영한 맞춤형 치료를 위해, ii) 머리와 목 부위와 같이 까다로운 위치에서 에너지 증착을 제어할 수 있는 새로운 어플리케이터를 개발하고 연구하기 위해 필요합니다.
RF 및 MW(마이크로파) 절제는 간질(예: 카테터로 조직에 삽입) 어플리케이터를 사용하여 조직을 고온으로 국소 가열하여 심장 부정맥이나 암과 같은 질병을 치료하기 위한 직접적인 세포 사멸을 유도합니다. 절제 에너지의 대체 에너지원으로는 초음파가 있습니다. 모델링은 달성 가능한 절제 영역에 대한 주변 혈관의 영향을 결정하고 카테터 배치를 최적화하며 새로운 어플리케이터를 설계하는 데 사용됩니다.
필요한 모델링 기능에는 개인화된 모델 생성, 생체 내 생리적 요인을 고려한 전자기 및 열 시뮬레이션, 조향 매개변수 최적화, 결과 관련 효과 평가가 포함됩니다.
방법론
1. 환자 모델
Sim4Life는 의료 영상 데이터에서 치료 계획과 같은 개인화된 모델을 생성할 수 있도록 지원합니다. MRI 및 CT 이미지와 같은 다양한 이미지 데이터를 가져와 시뮬레이션 모델 및 결과와 함께 시각화할 수 있습니다(IMG 모듈). 통합 이미지 처리 및 분할 모듈 iSEG는 고도의 대화형부터 자동까지 다양한 분할 알고리즘을 제공하여 해부학적 모델을 빠르게 생성할 수 있으며, 이를 유연하게 결합하고 전처리 루틴으로 보완하여 이미지 품질과 측정/분석 루틴을 개선할 수 있습니다. 그런 다음 세그먼트화된 이미지는 고품질의 자기 교차 없는 위상 호환 메시 생성을 보장하는 Sim4Life 기능을 사용하여 시뮬레이션 목적에 적합한 표면 기반 신체 모델로 변환됩니다.
메커니즘 조사, 애플리케이터 개발 등 개인화된 모델을 사용할 필요가 없거나 해부학이 아닌 종양 위치와 모양을 개인화하는 것으로 충분하다고 판단되는 경우, iSEG로 생성된 매우 상세한 가상 인구(ViP ) 3.0 모델을 대신 사용할 수 있습니다.
2. EM 유도 조직 가열
처음에는 전자기 에너지 증착이 결정됩니다. Sim4Life에서는 다중 안테나 시뮬레이션의 동시 설정이 멀티 포트 시뮬레이션 기능을 통해 용이하게 이루어지며, 유연한 코히어런트 및 비코히어런트 필드 결합은 해석 기능의 일부입니다. 주파수와 재료 특성에 따라 전파 P-EM-FDTD 또는 준정적 P-EM-QS 솔버가 전자기장을 결정하는 데 가장 적합합니다. 온열 종양학에서는 일반적으로 전자를 사용하며, 절제 모델링은 일반적으로 후자의 이점을 활용합니다. Sim4Life에 포함된 모든 EM 솔버는 ViP3.0과 같이 복잡한 해부학적 모델로 구성된 설정의 시뮬레이션에 최적화되어 있습니다. 또한 Sim4Life는 유전체 특성 할당을 위한 통합 조직 특성 데이터베이스의 사용을 용이하게 합니다.
어플리케이터와 안테나는 Sim4Life 모델러 CAD 기능으로 설계할 수 있습니다.
생체내 EM 유도 가열은 과도 상태와 정상 상태 모두 P-THERMAL 모듈로 시뮬레이션됩니다. 펜스 바이오히트 방정식을 기반으로 하며 대사 및 EM 열원, 열 확산, 조직 관류에 의한 열 전달을 고려하고 혈관 확장에 의한 국소 체온 조절과 시간에 따른 체심부 온도 상승을 고려하는 기능을 갖추고 있습니다. 외부 및 내부 공기에 의한 대류 표면 냉각 또는 피부와 접촉하는 가열/냉각된 수액뿐만 아니라 치료 부위의 큰 혈관의 영향도 포함될 수 있습니다. 다시 말하지만, Sim4Life 조직 특성 데이터베이스에는 광범위한 조직에 대한 열 및 관류 파라미터가 포함되어 있습니다.
3. 치료 최적화
심부 온열 치료 또는 여러 개의 카테터를 사용한 절제 치료와 같은 위상 배열 어플리케이터의 경우 개별 안테나의 위상과 진폭을 최적화하여 민감한 조직의 노출을 피하면서 최적의 종양 범위를 달성할 수 있습니다. SIm4Life는 자동적이고 신속한 치료 파라미터 최적화를 제공하며 여러 치료 영역을 정의하고 치료 우선순위와 조직 민감도를 반영하기 위해 가중치를 설정할 수 있습니다. 또는 환자의 의료 영상 데이터에 특정 조향 파라미터 세트에 대해 계산된 에너지 증착 분포를 중첩하는 등 필드 결합 도구를 사용하여 수동으로 최적화할 수도 있습니다.
모델링은 다른 치료 매개변수의 영향을 조사하고 최적화하는 데에도 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 표면 냉각 또는 가열을 위한 물 주입 온도의 영향은 종종 개별 치료에 최적화됩니다.
Sim4Life 온열 치료 계획 도구는 전 세계 여러 주요 임상 센터에서 사용되고 있습니다.
4. 효과 평가
유도된 생체 내 효과는 직접 예측하거나 열 선량을 통해 평가합니다. Sim4Life(T-CEM43)에서는 다양한 조직 손상 모델을 사용할 수 있습니다: Arrhenius 모델은 절제 치료에서 응고 및 괴사 영역의 조직 손상을 직접 평가합니다. 온열 종양학에서는 CEM43 열 선량 개념을 사용하는 것이 일반적입니다. CEM43 열 선량은 조직 위치의 열 이력을 43°C에서 동등한 열 효과를 가져올 수 있는 가열 시간(분)으로 표현합니다. 조직별 재료 파라미터에 의존하지 않는다는 장점이 있으며, 광범위한 조직 및 생물학적 영향에 대해 열 손상에 대한 CEM43 임계값이 실험적으로 결정되었습니다. CEM43과 치료 결과 사이의 상관관계는 임상적으로 확립되었습니다.
5. 디바이스 디자인
Sim4Life는 다음과 같은 온열 종양학 어플리케이터 및 RF/MW 절제 카테터의 다양한 측면을 조사하는 데 사용되었습니다:
- 위상 배열 심부 온열 치료 시스템에서 이상적인 초점 및 조향 잠재력을 달성하기 위한 최적의 3D 배열 및 안테나 배치
- 우수한 초점 조향 및 병변 형성을 위한 다중 절제 카테터 및 전극을 특징으로 하는 배열 탐색
- 고효율 및 낮은 부하 의존성을 가진 안테나 설계
- 효과적으로 적용되는 위상 및 진폭과 안테나 간 누화를 온라인으로 결정하여 높은 치료 관리 품질과 피드백 제어를 가능하게 하는 어플리케이터 요소의 설계
- 품질 보증 팬텀 및 측정 설정 개발
초점 제어가 뛰어난 새로운 두경부 치료 어플리케이터, MRI 호환 어플리케이터, 도파관 기반 표재성 온열 치료 시스템, 사용 유연성을 극대화하는 모듈식 치료 어플리케이터 개념, 온라인 모니터링 및 피드백 제어가 통합된 어플리케이터 요소 등 다양한 새로운 어플리케이터가 제작되어 병원에 도입되었습니다.
6. 유효성 검사
Sim4Life를 사용한 온열 치료 시뮬레이션에는 다양한 검증 및 검증 노력이 수반되었습니다. 전자기 및 열 솔버는 기본 수학적 모델의 물리적 및 수치적 현상을 올바르게 구현하는지 체계적으로 검증되었습니다. 바디 팬텀과 로봇 센서 스캔을 이용한 선량 측정 설정을 통해 어플리케이터 성능의 올바른 모델링을 확인했습니다. 팬텀, 지원자, 환자를 대상으로 적외선 온도계 또는 침습적 및 비침습적 열 카테터 측정과 같은 다양한 방법을 사용하여 열 측정을 수행했습니다. 임상 결과는 시뮬레이션된 선량과 통계적으로 비교되었으며, 중요 핫스팟의 예측은 환자 및 측정 피드백과 상관관계가 있었습니다.
절차 개요
문서
출판물
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지원팀에 요청 시 제공되는 검증 보고서
- P-EM-FDTD 모듈 검증
- P-EM-QS 모듈 검증
- P-Thermal 모듈 검증
- P-열 모듈 검증