將超聲波能量精準傳至目標

问题描述

超声刀在肝脏的组织消融示意图

聚焦超声(FUS)和高强度聚焦超声(HIFU)已在广泛的医学治疗中找到应用价值：肿瘤消融；癫痫治疗，运动障碍以及慢性痛；可逆性血脑屏障开放（例如，增加帕金森药物的摄入）；血块消融；以及神经刺激。提供不需要手术就完成人体内部目标定位的潜力。可以是热机制（例如热消融），也可以非热机制。声传播受以下影响：骨头，空气腔，及暴露域内的一般解剖（会降低聚焦能力，并产生不必要的继发病灶）。相控阵换能器允许相差校正，提供的合适的转向参数可以被识别用于某个具体的目标形状，定位及病人解剖。通过建模，能够进行新应用器和病人具体治疗规划的评估和设计。

方法

1. 综合建模框架

在非倾入性脑手术中进行的组织消融时，高强度聚焦超声（HIFU）传感器阵列在人脑中制造一个热点。

Sim4Life为影像式或解剖模型式声传播模拟提供一个综合的环境，包括加热，和产生量化效应：IMG和iSEG支持图像一体化和图像式模型建立。 ViP3.0 解剖模型为患者人群提供最详尽精准的表现形式，用于设备设计或深入分析。P-THERMAL模块为活的血液灌流的组织的建模增加了一个求解器，而 T-CEM43 为热组织损伤和治疗效果的量化增加热中子量和效果评估模块。详细信息请参见热疗。

P-ACOUSTICS 与所有这些功能无间隙整合，并允许声传播在人体内或人工结构内进行前所未有的分辨率和尺寸的全波建模。这得益于高性能计算技术（HPC），它控制着一个或多个GPU卡的功率来根据量级加速模拟。

2. 聚焦及治疗规划

Sim4Life聚焦优化

Sim4Life已在整合提高聚焦的方法中得到应用，尤其是经颅超声聚焦的环境下（带上千超声换能器的应用机用于不开颅情况下的人脑内的目标定位）。各种聚焦成果已被研究和比较。进一步结果通过使用虚源法（即时间反转技术，以一个在目标位置的源建立一个初步的仿真，同时记录传感器元件收到的压力波）已获得，并与临床应用方法进行了比较。对于真正的超声波，这些信号会被结合和应用。

Sim4Life允许颅骨导致的偏差和聚焦偏移的影响补偿，甚至能够基于CT图像数据考虑到颅骨的非均匀性。结果显示，延伸脑内可治疗区域膜是可能的。

在高强度聚焦超声（HIFU）肝脏肿瘤消融建模时，虚源法与4D动画解剖模型（从核磁共振成像（MRI）图像中提取的呼吸运动被应用于建立身体模型）结合。这为研究运动跟踪提供了可能。除此以外，虚源法成功的减少了对肋骨的附带伤害，作为评估热建模与T-CEM43模型的联合使用。

3. 容积扫描

使用传感器阵列的聚焦优化。

Sim4Life声学建模可以运用于探索覆盖大治疗范围的策略，比如，热疗治疗癌症。举个例子，据论证，通过连续超声（连续聚焦扫描肿瘤体积）和容积超声（病灶位置的快速交错）可达成非常相似的治疗结果，但更好的效果可以在一半的上述治疗时间达成。同时，作为寻常的将常规位置的超声处理应用于矩形网格的进一步替代，非结构化网格规划式肿瘤体积覆盖策略的概念在建模基础上被提出。另外，为了减少所需超声处理的数量，通过运用自适应网格求精法这个方法作为评估热疗建模的使用，提供提高冷却容器附件的热覆盖范围的可能性。

4. 设备设

用于Sim4Life中模拟的传感器CAD模型。

模拟法已被运用于研究和设计新声换能器。包括用于大部分表面干预的带声叶片状聚焦的新设计。另外一种使用Sim4Life开发的应用器，使用传感器元件随机分布的方法减少侧裂片，产生更局限性的焦点。Sim4Life P-ACOUSTICS已为常见应用器阵列设计提供模板。

5.验证与确认

测量装置中模拟的确认

Sim4Life P-ACOUSTIC已经过广泛的文献验证和确认。通过识别所有相关的物理的和数据的现象，以及模拟结果与判断性的验证这些的解析性和数值性参考方案的对比，贯彻的正确性已被验证。为了确定模拟方程式与事实相符，专用的验证设置已建立，允许3D的机器支持的声干扰场测试（放置在声焦距中或靠近声焦距的各种形状和材料性质的多重障碍）。广泛的不确定性量化已被执行，并用于确定测量和模拟间的高度一致性。

另外，在设计新的线声消融器时，水听器测量用来对比预测和测量的压力分配。

涉及的產品

Sim4Life → Computable Human Phantoms → ViP3.0

Sim4Life → Physics Models → P-ACOUSTICS

Sim4Life → Physics Models → P-THERMAL

Sim4Life → Framework → HPC

Sim4Life → Tissue Models → T-CEM43

Sim4Life → Modules → iSEG

Sim4Life → Modules → IMG

Documentation

Publications

Kennedy, J. E., G. R. Ter Haar, and D. Cranston. "High intensity focused ultrasound: surgery of the future?." The British journal of radiology (2014).
Jolesz, Ferenc A. "MRI-guided focused ultrasound surgery." 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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Verification of P-Acoustics
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Verification of P-Thermal Module
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