Deep Brain Ultrasound Ablation Thermal Dose Modeling with in Vivo Experimental Validation

要約

体内針ベースの治療用超音波 (NBTU) は、悪性脳腫瘍に介入するための低侵襲性の選択肢であり、熱アブレーション処置で一般的に使用されます。
この技術は原発性癌と転移性癌の両方に適しており、高周波交流電界 (最大 10 MHz) を利用して圧電トランスデューサーを励起します。
結果として生じるトランスデューサーの急速な変形により、組織を通って伝播する音響波が生成され、標的腫瘍部位で局所的な高温加熱が引き起こされ、急速な細胞死が誘発されます。
治療中の熱線量送達のための NBTU トランスデューサーの設計を最適化するために、変形する圧電トランスデューサーによって生成される音圧場の数値モデリングが頻繁に使用されます。
入力圧力場によって生成される生体熱伝達プロセスは、時間の経過に伴うアプリケーターの熱伝播を追跡するために使用されます。
磁気共鳴熱画像法 (MRTI) を使用して、これらのモデルを実験的に検証できます。
MRTI を使用した検証結果は、一貫した熱伝播パターンを示し、このモデルの実現可能性を実証しました。
ただし、治療効果を評価するには、熱損傷等線量マップの方が有利です。
実際の脳組織環境に基づいたより正確なシミュレーションを実現するために、損傷評価機能を強化した新しい有限要素法（FEM）シミュレーションを実施しました。
結果は、実験結果とシミュレーション結果の間で最高温度と切除体積がそれぞれ2.1884{\deg}C (3.71%)と0.0631 cm$^3$ (5.74%)異なることを示した。
ピーク温度のピアソン相関係数 (PCC) の最低値は 0.7117、切除領域のダイス係数の最低値は 0.7021 で、シミュレーションと実験の精度がよく一致していることを示しています。

要約(オリジナル)

Intracorporeal needle-based therapeutic ultrasound (NBTU) is a minimally invasive option for intervening in malignant brain tumors, commonly used in thermal ablation procedures. This technique is suitable for both primary and metastatic cancers, utilizing a high-frequency alternating electric field (up to 10 MHz) to excite a piezoelectric transducer. The resulting rapid deformation of the transducer produces an acoustic wave that propagates through tissue, leading to localized high-temperature heating at the target tumor site and inducing rapid cell death. To optimize the design of NBTU transducers for thermal dose delivery during treatment, numerical modeling of the acoustic pressure field generated by the deforming piezoelectric transducer is frequently employed. The bioheat transfer process generated by the input pressure field is used to track the thermal propagation of the applicator over time. Magnetic resonance thermal imaging (MRTI) can be used to experimentally validate these models. Validation results using MRTI demonstrated the feasibility of this model, showing a consistent thermal propagation pattern. However, a thermal damage isodose map is more advantageous for evaluating therapeutic efficacy. To achieve a more accurate simulation based on the actual brain tissue environment, a new finite element method (FEM) simulation with enhanced damage evaluation capabilities was conducted. The results showed that the highest temperature and ablated volume differed between experimental and simulation results by 2.1884{\deg}C (3.71%) and 0.0631 cm$^3$ (5.74%), respectively. The lowest Pearson correlation coefficient (PCC) for peak temperature was 0.7117, and the lowest Dice coefficient for the ablated area was 0.7021, indicating a good agreement in accuracy between simulation and experiment.

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