设备设计建模和个性化治疗计划
问题描述
暴露于电热疗法的肿瘤模拟的各种视图。从左到右：问题的医学图像； 模拟装置的 CAD 模型； 离散模型的横截面，使用 Sim4Life 的仿真结果。
热疗癌症疗法（热疗肿瘤学）与放射和/或化学疗法结合使用以治疗多种癌症。它利用电磁能量对肿瘤进行温和加热，通常会显著提高初始反应和存活率。对于深部肿瘤，相控射频 (RF) 阵列通常用于将能量靶向肿瘤，同时避免敏感的健康组织过度暴露。由于人体的高度不均匀性以及血液灌注和体温调节等生理因素的影响，这是一项艰巨的任务。需要模拟 i) 对反映肿瘤形状和位置以及个体解剖结构的个性化治疗，以及 ii) 开发和研究能够在具有挑战性的位置（例如头部和颈部区域）实现受控能量沉积的新型施药器。
RF 和 MW（微波）消融使用间质（插入组织中，例如通过导管）施加器将组织局部加热至高温，从而导致直接细胞杀伤以治疗疾病，例如心律失常或癌症。消融能量的替代来源包括超声波。建模用于确定附近脉管系统对可实现消融区域的影响，优化导管放置，并设计新型应用器。
所需的建模功能包括个性化模型生成、考虑体内生理因素的电磁和热模拟、转向参数的优化以及与结果相关的效果评估。
方法
1. 患者模型
使用 Sim4Life 的 iSEG 模块从医学图像数据生成个性化模型。
Sim4Life 支持从医学图像数据生成个性化模型，例如用于治疗计划。可以导入各种图像数据，例如 MRI 和 CT 图像，并与仿真模型和结果（IMG 模块）联合可视化。集成的图像处理和分割模块 iSEG 通过提供范围广泛的分割算法（从高度交互到自动）促进解剖模型的快速生成，这些算法可以灵活组合并辅以预处理例程，以提高图像质量和测量/分析例程。然后使用 Sim4Life 功能将分割后的图像转换为适用于模拟目的的基于表面的身体模型，该功能可确保创建高质量、无自相交、拓扑兼容的网格创建。
当不需要使用个性化模型时，例如，用于机制研究、涂药器开发，或者当认为个性化肿瘤位置和形状而不是解剖结构时，高度详细的虚拟家族 (ViP) 3.0 模型也已被用于生成时，可以使用 iSEG 代替。
2. 电磁感应组织加热
在 Sim4Life 中模拟癌组织的电磁辐射。
最初，确定电磁能量沉积。在 Sim4Life 中，多端口仿真功能有助于同时设置多天线仿真，而灵活的相干和非相干场组合是分析功能的一部分。根据频率和材料特性，全波 P-EM-FDTD 或准静态 P-EM-QS 求解器最适合确定 EM 场。在热疗肿瘤学中，通常是前者，而消融建模通常受益于后者。 Sim4Life 中包含的所有 EM 求解器都经过优化，可模拟包含复杂解剖模型的设置，例如 ViP3.0 的那些。 Sim4Life 还有助于使用集成的组织特性数据库来分配介电特性。
可以使用 Sim4Life 建模器 CAD 功能设计加热器和天线。
使用 P-THERMAL 模块模拟体内 EM 感应加热（瞬态和稳态）。它基于 Pennes Bioheat 方程，并考虑了代谢和 EM 热源、热扩散和组织灌注的热传递，具有考虑血管舒张的局部温度调节以及身体核心温度随时间升高的功能。可以包括通过外部和内部空气或与皮肤接触的加热/冷却水的对流表面冷却以及治疗区域中大血管的影响。同样，Sim4Life 组织属性数据库包括各种组织的热和灌注参数。
3.治疗优化
具有包括癌症在内的身体模型的暴露设置模型和用于电磁治疗的相控阵施加器。治疗设置通过 Sim4Life 进行了优化。
对于相控阵施加器，例如在深度热疗治疗或使用多个导管的消融治疗中，各个天线的相位和幅度都经过优化，以实现最佳的肿瘤覆盖，同时避免暴露敏感组织。 SIM4Life 提供自动和快速的治疗参数优化，并允许定义多个治疗区域以及加权以反映治疗优先级和组织敏感性。或者，可以通过场组合器工具进行手动优化，例如，同时将针对某一组转向参数计算的能量沉积分布叠加在患者的医学图像数据上。
建模也可用于调查和优化其他治疗参数的影响。例如，水丸温度对表面冷却或加热的影响通常针对个别处理进行优化。
SEMCAD X / Sim4Life 热疗计划工具已在全球一系列领先的临床中心中使用。
4.效果评估
使用 Sim4Life 评估治疗优化中的热处理剂量。
诱导的体内效应要么直接预测，要么通过热剂量进行评估。 Sim4Life (T-CEM43) 中提供了多种组织损伤模型：Arrhenius 模型直接评估消融治疗中凝血和坏死区的组织损伤。在热疗肿瘤学中，CEM43 热剂量概念的使用很常见。 CEM43 热剂量以 43oC 下的加热分钟数表示组织位置的热历史，这将导致等效的热效应。它提供了不依赖于组织特定材料参数的优势，并且 CEM43 热损伤阈值已经通过实验确定了广泛的组织和生物效应。 CEM43 与治疗结果之间的相关性已在临床上确立。
5.装置设计
Sim4Life 用于加热器的设计优化。
Sim4Life 和 SEMCAD X 已被用于研究热肿瘤应用器和 RF/MW 消融导管的各个方面，例如：
- 天线的最佳 3D 布置和放置，以在相控阵深热疗系统中实现理想的聚焦和转向潜力
- 探索具有多个消融导管和电极的布置，以实现卓越的焦点转向和病灶成形
- 设计具有高效率和低负载依赖性的天线
- 施加器元件的设计允许在线确定有效施加的相位和幅度以及天线之间的串扰，从而实现高治疗管理质量和反馈控制
- 质量保证模型和测量装置的开发
一系列新型加热器已建成并引入临床，包括具有卓越焦点控制的新型头颈部治疗加热器、MRI 兼容涂药器、基于波导的表面热疗治疗系统、最大使用灵活性的模块化治疗加热器概念和涂药器元件具有集成的在线监测和反馈控制。
6.验证
使用 Sim4Life 模拟热疗法伴随着一系列验证和确认工作。电磁和热求解器已经过系统验证，可以正确实现基础数学模型的物理和数值现象。以人体模型和机器人传感器扫描为特色的剂量测量设置已经确定了涂抹器性能的正确建模。已使用多种方法进行热测量，例如对体模、志愿者和患者的红外测温或侵入性和非侵入性热导管测量。临床结果已与模拟剂量数量进行了统计比较，关键热点的预测已与患者和测量反馈相关联。
流程概览
热疗癌症治疗和热疗治疗计划的临床整合
热疗计划和建模的步骤
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