設備設計建模和個性化治療計劃
問題描述
暴露於電熱療法的腫瘤模擬的各種視圖。 從左到右：問題的醫學圖像； 模擬裝置的 CAD 模型； 離散模型的橫截面，使用 Sim4Life 的仿真結果。
熱療癌症療法（熱療腫瘤學）與放射和/或化學療法結合使用以治療多種癌症。它利用電磁能量對腫瘤進行溫和加熱，通常會顯著提高初始反應和存活率。對於深部腫瘤，相控射頻 (RF) 陣列通常用於將能量靶向腫瘤，同時避免敏感的健康組織過度暴露。由於人體的高度不均勻性以及血液灌注和體溫調節等生理因素的影響，這是一項艱鉅的任務。需要模擬 i) 對反映腫瘤形狀和位置以及個體解剖結構的個性化治療，以及 ii) 開發和研究能夠在具有挑戰性的位置（例如頭部和頸部區域）實現受控能量沉積的新型施藥器。
RF 和 MW（微波）消融使用間質（插入組織中，例如通過導管）施加器將組織局部加熱至高溫，從而導致直接細胞殺傷以治療疾病，例如心律失常或癌症。消融能量的替代來源包括超聲波。建模用於確定附近脈管系統對可實現消融區域的影響，優化導管放置，並設計新型應用器。
所需的建模功能包括個性化模型生成、考慮體內生理因素的電磁和熱模擬、轉向參數的優化以及與結果相關的效果評估。
方法
1. 患者模型
使用 Sim4Life 的 iSEG 模塊從醫學圖像數據生成個性化模型。
Sim4Life 支持從醫學圖像數據生成個性化模型，例如用於治療計劃。可以導入各種圖像數據，例如 MRI 和 CT 圖像，並與仿真模型和結果（IMG 模塊）聯合可視化。集成的圖像處理和分割模塊 iSEG 通過提供範圍廣泛的分割算法（從高度交互到自動）促進解剖模型的快速生成，這些算法可以靈活組合併輔以預處理例程，以提高圖像質量和測量/分析例程。然後使用 Sim4Life 功能將分割後的圖像轉換為適用於模擬目的的基於表面的身體模型，該功能可確保創建高質量、無自相交、拓撲兼容的網格創建。
當不需要使用個性化模型時，例如，用於機制研究、塗藥器開發，或者當認為個性化腫瘤位置和形狀而不是解剖結構時，高度詳細的虛擬家族 (ViP) 3.0 模型也已被用於生成時，可以使用 iSEG 代替。
2. 電磁感應組織加熱
在 Sim4Life 中模擬癌組織的電磁輻射。
最初，確定電磁能量沉積。在 Sim4Life 中，多端口仿真功能有助於同時設置多天線仿真，而靈活的相干和非相干場組合是分析功能的一部分。根據頻率和材料特性，全波 P-EM-FDTD 或準靜態 P-EM-QS 求解器最適合確定 EM 場。在熱療腫瘤學中，通常是前者，而消融建模通常受益於後者。 Sim4Life 中包含的所有 EM 求解器都經過優化，可模擬包含複雜解剖模型的設置，例如 ViP3.0 的那些。 Sim4Life 還有助於使用集成的組織特性數據庫來分配介電特性。
可以使用 Sim4Life 建模器 CAD 功能設計加熱器和天線。
使用 P-THERMAL 模塊模擬體內 EM 感應加熱（瞬態和穩態）。它基於 Pennes Bioheat 方程，並考慮了代謝和 EM 熱源、熱擴散和組織灌注的熱傳遞，具有考慮血管舒張的局部溫度調節以及身體核心溫度隨時間升高的功能。可以包括通過外部和內部空氣或與皮膚接觸的加熱/冷卻水的對流表面冷卻以及治療區域中大血管的影響。同樣，Sim4Life 組織屬性數據庫包括各種組織的熱和灌注參數。
3.治療優化
具有包括癌症在內的身體模型的暴露設置模型和用於電磁治療的相控陣施加器。 治療設置通過 Sim4Life 進行了優化。
對於相控陣施加器，例如在深度熱療治療或使用多個導管的消融治療中，各個天線的相位和幅度都經過優化，以實現最佳的腫瘤覆蓋，同時避免暴露敏感組織。 SIM4Life 提供自動和快速的治療參數優化，並允許定義多個治療區域以及加權以反映治療優先級和組織敏感性。或者，可以通過場組合器工具進行手動優化，例如，同時將針對某一組轉向參數計算的能量沉積分佈疊加在患者的醫學圖像數據上。
建模也可用於調查和優化其他治療參數的影響。例如，水丸溫度對錶面冷卻或加熱的影響通常針對個別處理進行優化。
SEMCAD X / Sim4Life 熱療計劃工具已在全球一系列領先的臨床中心中使用。
4.效果評估
使用 Sim4Life 評估治療優化中的熱處理劑量。
誘導的體內效應要么直接預測，要么通過熱劑量進行評估。 Sim4Life (T-CEM43) 中提供了多種組織損傷模型：Arrhenius 模型直接評估消融治療中凝血和壞死區的組織損傷。 在熱療腫瘤學中，CEM43 熱劑量概念的使用很常見。 CEM43 熱劑量以 43oC 下的加熱分鐘數表示組織位置的熱歷史，這將導致等效的熱效應。 它提供了不依賴於組織特定材料參數的優勢，並且 CEM43 熱損傷閾值已經通過實驗確定了廣泛的組織和生物效應。 CEM43 與治療結果之間的相關性已在臨床上確立。
5.裝置設計
Sim4Life 用於加熱器的設計優化。
Sim4Life 和 SEMCAD X 已被用於研究熱腫瘤應用器和 RF/MW 消融導管的各個方面，例如：
- 天線的最佳 3D 佈置和放置，以在相控陣深熱療系統中實現理想的聚焦和轉向潛力
- 探索具有多個消融導管和電極的佈置，以實現卓越的焦點轉向和病灶成形
- 設計具有高效率和低負載依賴性的天線
- 施加器元件的設計允許在線確定有效施加的相位和幅度以及天線之間的串擾，從而實現高治療管理質量和反饋控制
- 質量保證模型和測量裝置的開發
一系列新型加熱器已建成並引入臨床，包括具有卓越焦點控制的新型頭頸部治療加熱器、MRI 兼容塗藥器、基於波導的表面熱療治療系統、最大使用靈活性的模塊化治療加熱器概念和塗藥器元件具有集成的在線監測和反饋控制。
6.驗證
使用 Sim4Life 模擬熱療法伴隨著一系列驗證和確認工作。 電磁和熱求解器已經過系統驗證，可以正確實現基礎數學模型的物理和數值現象。 以人體模型和機器人傳感器掃描為特色的劑量測量設置已經確定了塗抹器性能的正確建模。 已使用多種方法進行熱測量，例如對體模、志願者和患者的紅外測溫或侵入性和非侵入性熱導管測量。 臨床結果已與模擬劑量數量進行了統計比較，關鍵熱點的預測已與患者和測量反饋相關聯。
流程概覽
熱療癌症治療和熱療治療計劃的臨床整合
熱療計劃和建模的步驟
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