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用于癌症之电热治疗

仪器设计与个人化治疗计画

问题描述

模擬腫瘤暴露在電熱治療下的各種視圖。由左至右 : 腫瘤的醫學影像; 仿真建立的CAD 模型; 離散模型的橫切面, Sim4Life的仿真結果.

癌症温热治疗（热疗肿瘤学）会搭配化疗和/或放射疗法来处理多种癌症。它採用電磁能量輕微地加熱腫瘤，常能夠顯著的改善初始反應與存活率。對於深層的腫瘤，通常會使用相位陣列射頻（射频相控阵）將能量聚焦至腫瘤來避免健康的組織過度曝照。由於人體的強烈不均質特性與血液灌注及體溫調節等物理因子的影響，使得癌症溫熱治療更加困難。在我）依据肿瘤形状与位置，甚至个体解剖差异进行个人化医疗及; II）開發在頭頸部等高難度區域的嶄新控制能量位置的應用技術上，模擬是必要的。

射频和微波（微波）消融，使用間質性(例如在組織中插入導管)治療器來局部加熱組織至高溫，直接殺死細胞來治療疾病，如心律不整或癌症。消融可替換的能量來源包括超聲波。建模適用於評估血管旁的消融區域，來優化導管的放置和設計新型的治療器。

所需的建模功能包括个人化的模型产生，电磁波和热在体内生理变化的模拟，转向参数的优化和结果相关的效果评估。

研究方法

1. 病患模型

透過 Sim4life 的 SEG 模組從醫學影像數據產出病患的個人化模型。

Sim4Life支援从医学影像数据的重建出个人化的模型，像是治疗计画。大範圍的影像數據，像是MRI和CT影像，可以被導入至軟體中，並與模擬結果和模型重疊顯示。 (IMG 模组). 经整合的影像后处理和分割模组ISEG有助於快速產生解剖模型，透過提供大範圍的分割演算法，高互動性的自動化，前處理的例行程可以靈活的結合和輔助序來增加影像品質和量測/分析。影像分割将被转换至基于表面的的人體模型，來用於仿真，透過Sim4Life的功能來確保高品質、Self-intersection-free,拓扑兼容网格产生。

當不需要個人化的模型，例如機械研究，治療器的研發或者是考慮到個性化腫瘤的位置和形狀而不解剖，可以使用高解析度的 Virtual Population (ViP3.0) 模型。

2. EM誘導組織加熱

使用Sim4Life進行癌組織的電磁波曝照

一開始，電磁能量沉積被確定。Sim4Life中多天線仿真的設定可以透過multi-port simulation來完成，而且分析功能中具有靈活的同調性與非同調的場結合。根據頻率和材料特性，全波 P-EM-FDTD 或準靜態 P-EM-QS 求解器是最適合用於計算EM場。在溫熱腫瘤治療中，是典型的模型，而消融建模則適合使用P-EM-FDTD。Sim4Life中所有EM求解器都已優化來仿真複雜解剖模型，像是 ViP3.0. Sim4Life也有整合了組織特性的資料庫，便於分配介電特性。

治療器和天線可以透過Sim4Life的CAD功能來進行設計。

體內EM感應加熱, 暫態與穩態之模擬是使用P-THERMAL 模組。這是根據Pennes Bioheat 方程式及透過組織灌注來計算代謝、EM熱源、熱擴散及熱傳導，搭配功能性來研究由血管舒張和隨著核心溫度而上升的局部溫度。透過外部與內部空氣或與皮膚接觸的水袋進行表面對流冷卻以及在治療區域中大血管的影響。Sim4Life組織特性資料庫包含了熱與灌注參數用於大範圍組織。

3. 治療優化

電磁波暴露模型的設置、包含腫瘤的身體模型與相位陣列治療器用於電磁治療。Sim4Life進行治療設定優化。

相位陣列治療器，像是使用多導管、使用深層熱治療或熱消融治療。对于相控阵应用器，例如带多导管的热疗治疗或者消融治疗，单个天线的相位及振幅都优化至避免敏感组织破裂的同时达到最佳肿瘤覆盖。 Sim4Life 提供动态的快速的治疗参数优化组合，能够定义多个治疗区域，确定治疗优先级及组织灵敏性。或者，借助场组合工具也可以实现手动优化组合，例如，将某组转向参数的计算出的能量沉积分配叠加至病人的医学图像数据上时。

建模也可以运用在评估和优化其他治疗参数的影响上。例如，通常个体化治疗会优化水丸温度对表面冷却或加热的影响。

SEMCAD X / Sim4Life 热疗规划工具应用在一系列全球领先的临床中心。

4. 影响评估

用Sim4Life评估热疗剂量的治疗优化。

在vivo中产生的影响既可以被直接预测，也可以通过热中子剂量评估。Sim4Life (T-CEM43)可模拟多种组织损伤：Arrhenius模型直接评估消融治疗中产生的凝结物和坏死区中的组织损伤。在肿瘤热疗中，CEM43 热中子剂量概念的运用很常见。CEM43热中子剂量表示一个组织的受热历程，就数分钟43^oC的加热而言产生的等效热效应中的定位。提供不依靠组织具体的材料参数的优势，以及广泛的组织及生物效应的热损伤的CEM43 临界值已经通过实验证明被定义的优势。CEM43与治疗结果的相关性已在临床上建立了起来。

5. 设备设计

Sim4Life 在热疗机的设计优化中的运用。

Sim4Life和SEMCAD已经运用在研究肿瘤热疗机和射频/微波消融导管的各方面，例如：

天线的最佳3D安排和安置，以在相控阵热疗系统达到理想的聚焦和转向。
研究高级聚焦转向和病变形成的多射频消融导管和电极的安排。
设计高效率低负载依赖的天线。
设计应用器要素，允许线上确定有效应用的相位以及天线间的沟通，确保高治疗质量和反馈控制。
质量保证造影和测量设置的发展。

一系列新应用器已建立起来并运用到了临床上，包括新的带高级聚焦控制的头颈治疗治疗机，核磁共振成像兼容机，波导型表面热疗系统，最大使用灵活性概念的模块化处理装置，以及带一体化线上监控和反馈控制的器元件。

6. 确认

Sim4Life 模拟热疗已有广泛的证明和有效的成就。实验验证设置(上)和模拟（下）。

Sim4Life 模拟热疗已有广泛的证明和有效的成就。电磁和热求解器已被系统的证明，用于基本数学模型的物理和数字现象的正确应用。用于描述身体幻影和机器传感器扫描的剂量测量系统已确定应用器性能的正确建模。热测量已通过各种方法实现，例如，红外线测温，造影时侵入性和非侵入性热导管测量，志愿者和病人。通过系统的对比临床结果与模拟药剂量，关键热点的预计已与病人和测量反馈建立了相关性。

過程概述

Clinical integration of hyperthermia cancer treatment and hyperthermia treatment planning

Steps in hyperthermia treatment planning and modeling

涉及的產品

Sim4Life → Computable Human Phantoms → ViP3.0

Sim4Life → Physics Models → P-EM-FDTD

Sim4Life → Physics Models → P-EM-FQS

Sim4Life → Modules → P-THERMAL

Sim4Life → Framework → HPC

Sim4Life → Tissue Models → T-CEM43

Sim4Life → Modules → iSEG

Sim4Life → Modules → IMG

Documentation

Publications

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Validation Reports, available upon request from our support team

Validation of P-EM-FDTD Module
Validation of P-EM-EQS Module
Verification of P-Thermal Module
Validation of P-Thermal Module