治疗性聚焦超音波
问题描述
在肝脏中使用声波刀进行组织消融的示意图。
电磁场 (EMF) 与神经元相互作用。这种相互作用可以是刺激的、抑制的或同步的，它可以是有意的或无意的。暴露于强低频场的意外刺激例如发生在磁共振成像 (MRI) 梯度线圈中，而预期刺激的示例包括治疗应用（经颅刺激、深部脑刺激、功能性电刺激等）或神经假体装置（人工视网膜、神经假肢等）。建模对于治疗和设备安全性和有效性评估特别有价值，而且对于优化医疗设备性能也很重要。
由于神经元的复杂结构和离子通道动力学、人体电场分布的不均匀性以及两者之间复杂的相互作用。后者是为什么需要耦合 EM 神经元动力学建模的原因。
方法
1. 综合建模框架
HIFU 换能器阵列在大脑深处创建一个热点，用于在无创脑部手术期间进行组织消融。
Sim4Life 为基于图像或基于解剖模型的声传播、感应加热和结果效应量化仿真提供了一个综合环境：IMG 和 iSEG 模块增加了对图像集成和基于图像的模型生成的支持。 Virtual Population (ViP) 3.0 解剖模型为设备设计或深入分析提供了患者群体的最详细和准确的表示。 P-THERMAL 模块添加了一个求解器，该求解器针对活体血液灌注组织中的热现象建模进行了优化，而 T-CEM43 则添加了热剂量和效果评估模型，用于量化热组织损伤和治疗效果。有关更多详细信息，请参阅热疗。
P-ACOUSTICS 与所有这些功能无缝集成，并允许以前所未有的分辨率和问题规模对人体或人造结构中的声传播进行全波建模。这要归功于高性能计算 (HPC) 技术的使用，该技术利用一个或多个图形处理单元 (GPU) 卡的能力将模拟速度提高几个数量级。
2.聚焦和治疗计划
Sim4Life 中的焦点优化。
Sim4Life 已被应用于研究改善聚焦的方法，特别是在经颅聚焦超声的背景下，其中具有超过一千个超声换能器的施加器用于在不打开颅骨的情况下瞄准大脑深处的位置。已经研究和比较了各种聚焦方法。通过使用虚拟源方法（也称为时间反转技术）获得了与临床应用方法相比的优越结果，其中在目标位置处使用源进行初始模拟，同时记录换能器处的传入压力波元素。对于真正的超声处理，这些信号随后被结合并应用。
Sim4Life 允许补偿颅骨引起的像差和焦点偏移的影响，甚至可以根据计算机断层扫描 (CT) 图像数据考虑颅骨的不均匀性。结果表明有可能大大扩展头部可治疗区域的包络。
在对肝脏 HIFU 肿瘤消融进行建模时，虚拟源方法与 4D 动画解剖模型相结合，从 MRI 图像中提取呼吸运动并应用于扭曲身体模型。这允许研究运动跟踪的重要性。此外，使用 T-CEM43 模型结合热建模进行评估，虚拟源方法成功地减少了对肋骨的附带损害。
3.体积扫描
使用换能器阵列进行焦点优化。
Sim4Life 声学建模可用于探索覆盖较大治疗区域的策略，例如，实现热疗癌症治疗。例如，可以证明使用顺序超声（连续扫描具有焦点的肿瘤体积）和体积超声（快速交错病灶放置）可以实现非常相似的治疗结果，但后者可以在一半的时间内实现。治疗时间。此外，基于建模提出了基于非结构化网格划分的肿瘤体积覆盖策略的概念，作为在矩形网格上常规应用超声处理的更好替代方案。除了减少所需的超声处理次数外，这种方法自然地提供了通过使用自适应网格细化来改善冷却容器附近的热覆盖的可能性，正如使用热建模所评估的那样。
4.装置设计
用于 Sim4Life 中模拟的传感器 CAD 模型。
仿真已用于研究和设计新的声学换能器。这包括一种新颖的设计，具有声学刀片状的焦点，主要用于表面干预。另一种使用 Sim4Life 开发的涂抹器使用随机放置的换能器元件来减少臭名昭著的旁瓣并产生更局部的焦点。 Sim4Life P-ACOUSTICS 已经为常见的涂药器阵列设计提供了模板。
5.验证和确认
在测量设置中验证模拟。
Sim4Life P-ACOUSTICS 已经过广泛的文档验证和验证。通过识别所有相关的物理和数值现象并将模拟结果与严格测试这些的分析和数值参考解决方案进行比较，验证了实施的正确性。为了确定模拟方程捕捉到现实，我们构建了一个专用验证设置，允许在声学焦点内和附近放置多个形状和材料特性不同的障碍物后进行 3D、机器人支持的声学干扰场测量。已经进行了广泛的不确定性量化，并用于确认测量和模拟之间的良好一致性。
此外，在设计一种新型线性声学消融装置时，使用水听器测量来比较预测和测量的压力分布。
参考文献
- 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.