治療性聚焦超音波
問題描述
在肝臟中使用聲波刀進行組織消融的示意圖。
電磁場 (EMF) 與神經元相互作用。這種相互作用可以是刺激的、抑制的或同步的，它可以是有意的或無意的。暴露於強低頻場的意外刺激例如發生在磁共振成像 (MRI) 梯度線圈中，而預期刺激的示例包括治療應用（經顱刺激、深部腦刺激、功能性電刺激等）或神經假體裝置（人工視網膜、神經假肢等）。建模對於治療和設備安全性和有效性評估特別有價值，而且對於優化醫療設備性能也很重要。
由於神經元的複雜結構和離子通道動力學、人體電場分佈的不均勻性以及兩者之間複雜的相互作用。後者是為什麼需要耦合 EM 神經元動力學建模的原因。
方法
1. 綜合建模框架
HIFU 換能器陣列在大腦深處創建一個熱點，用於在無創腦部手術期間進行組織消融。
Sim4Life 為基於圖像或基於解剖模型的聲傳播、感應加熱和結果效應量化仿真提供了一個綜合環境：IMG 和 iSEG 模塊增加了對圖像集成和基於圖像的模型生成的支持。 Virtual Population (ViP) 3.0 解剖模型為設備設計或深入分析提供了患者群體的最詳細和準確的表示。 P-THERMAL 模塊添加了一個求解器，該求解器針對活體血液灌注組織中的熱現象建模進行了優化，而 T-CEM43 則添加了熱劑量和效果評估模型，用於量化熱組織損傷和治療效果。有關更多詳細信息，請參閱熱療。
P-ACOUSTICS 與所有這些功能無縫集成，並允許以前所未有的分辨率和問題規模對人體或人造結構中的聲傳播進行全波建模。這要歸功於高性能計算 (HPC) 技術的使用，該技術利用一個或多個圖形處理單元 (GPU) 卡的能力將模擬速度提高幾個數量級。
2.聚焦和治療計劃
Sim4Life 中的焦點優化。
Sim4Life 已被應用於研究改善聚焦的方法，特別是在經顱聚焦超聲的背景下，其中具有超過一千個超聲換能器的施加器用於在不打開顱骨的情況下瞄準大腦深處的位置。已經研究和比較了各種聚焦方法。通過使用虛擬源方法（也稱為時間反轉技術）獲得了與臨床應用方法相比的優越結果，其中在目標位置處使用源進行初始模擬，同時記錄換能器處的傳入壓力波元素。對於真正的超聲處理，這些信號隨後被結合併應用。
Sim4Life 允許補償顱骨引起的像差和焦點偏移的影響，甚至可以根據計算機斷層掃描 (CT) 圖像數據考慮顱骨的不均勻性。結果表明有可能大大擴展頭部可治療區域的包絡。
在對肝臟 HIFU 腫瘤消融進行建模時，虛擬源方法與 4D 動畫解剖模型相結合，從 MRI 圖像中提取呼吸運動並應用於扭曲身體模型。這允許研究運動跟踪的重要性。此外，使用 T-CEM43 模型結合熱建模進行評估，虛擬源方法成功地減少了對肋骨的附帶損害。
3.体积扫描
使用換能器陣列進行焦點優化。
Sim4Life 聲學建模可用於探索覆蓋較大治療區域的策略，例如，實現熱療癌症治療。 例如，可以證明使用順序超聲（連續掃描具有焦點的腫瘤體積）和體積超聲（快速交錯病灶放置）可以實現非常相似的治療結果，但後者可以在一半的時間內實現。 治療時間。 此外，基於建模提出了基於非結構化網格劃分的腫瘤體積覆蓋策略的概念，作為在矩形網格上常規應用超聲處理的更好替代方案。 除了減少所需的超聲處理次數外，這種方法自然地提供了通過使用自適應網格細化來改善冷卻容器附近的熱覆蓋的可能性，正如使用熱建模所評估的那樣。
4.裝置設計
用於 Sim4Life 中模擬的傳感器 CAD 模型。
仿真已用於研究和設計新的聲學換能器。 這包括一種新穎的設計，具有聲學刀片狀的焦點，主要用於表面乾預。 另一種使用 Sim4Life 開發的塗抹器使用隨機放置的換能器元件來減少臭名昭著的旁瓣並產生更局部的焦點。 Sim4Life P-ACOUSTICS 已經為常見的塗藥器陣列設計提供了模板。
5.驗證和確認
在測量設置中驗證模擬。
Sim4Life P-ACOUSTICS 已經過廣泛的文檔驗證和驗證。 通過識別所有相關的物理和數值現象並將模擬結果與嚴格測試這些的分析和數值參考解決方案進行比較，驗證了實施的正確性。 為了確定模擬方程捕捉到現實，我們構建了一個專用驗證設置，允許在聲學焦點內和附近放置多個形狀和材料特性不同的障礙物後進行 3D、機器人支持的聲學乾擾場測量。 已經進行了廣泛的不確定性量化，並用於確認測量和模擬之間的良好一致性。
此外，在設計一種新型線性聲學消融裝置時，使用水聽器測量來比較預測和測量的壓力分佈。
參考文獻
- 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.