[論文レビュー] Simulation of magnetic hyperthermia cancer treatment near a blood vessel

Qian Jiang, Renhai Feng+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2023

Characterization and Applications of Magnetic NanoparticlesEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、血管に近接する腫瘍における磁気ハイパーサーミアがん治療をシミュレートする包括的な計算フレームワークを開発した。熱伝達、磁性ナノ粒子（MNPs）の質量移動、間隙液の流れ、血液の流れの性質を統合的に取り入れたものである。モデルは、近接する血管が腫瘍を顕著に冷却し、治療効果を低下させることを示しているが、最適な配置（例：重力が下向きで、水平方向の血管が4 mm離れている場合）では、腫瘍の97.77%を破壊し、正常組織への障害はたった0.87%にとどめることが可能である。

ABSTRACT

In this study, we conduct a study on magnetic hyperthermia treatment when a vessel is located near the tumor. The holistic framework is established to solve the process of tumor treatment. The interstitial tissue fluid, MNP distribution, temperature profile, and nanofluids are involved in the simulation. The study evaluates the cancer treatment efficacy by cumulative-equivalent-minutes-at-43 centigrade (CEM43), a widely accepted thermal dose. The influence of the nearby blood vessel is investigated, and parameter studies about the distance to the tumor, the width of the blood vessel, and the vessel direction are also conducted. After that, the effects of the fluid-structure interaction of moving vessel boundaries and blood rheology are discussed. The results demonstrate the cooling effect of a nearby blood vessel, and such effect reduces with the augment of the distance between the tumor and blood vessel. The combination of downward gravity and the cool effect from the lower horizontal vessel leads to the best performance with 97.77% ablation in the tumor and 0.87% injury in healthy tissue at distance d = 4 mm, but the cases of the vertical vessel are relatively poor. The vessel width and blood rheology affect the treatment by velocity gradient near the vessel wall. Additionally, the moving boundary almost has no impact on treatment efficacy. The simulation tool has been well-validated and the outcomes can provide a useful reference to magnetic hyperthermia treatment.

研究の動機と目的

• 血管に近接する腫瘍領域における熱、質量、流体のダイナミクスを統合した包括的な磁気ハイパーサーミアのシミュレーションフレームワークの開発。
• CEM43を指標として用いて、近接する血管が熱的線量分布および治療効果に与える影響を定量的に評価すること。
• 血管との距離、幅、配向、血液の流れの性質、動的血管境界の影響が治療成績に与える影響を調査すること。
• 浸漬境界法および非ニュートン流体の血液流れに関するベンチマーク事例を用いて、数値モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 流体-構造界面の相互作用をシミュレートするために、浸漬境界法（IBM）を用い、ラグランジュ的マーカーとEuler的グリッドを用いて動的血管壁をモデル化する。
• 間隙流および血液流れの場を記述するため、ナビエ–ストークス方程式を適用し、非ニュートン性の血液の流れはカルノー–ヤスアワモデルで記述する。
• 磁性ナノ粒子（MNPs）に起因する熱生成を考慮したペンスの生体熱伝達方程式（PBHTE）を解き、温度場を予測する。
• ナノ粒子の組織内分布を追跡するために、対流拡散方程式を用いてMNPsの質量移動をモデル化する。
• 治療効果の評価にCEM43熱線量指標を用い、空間的・時間的非一様性を考慮する。
• 浸漬境界法および非ニュートン流体の流れモデルを、既知のベンチマーク（円柱の周囲流れおよびラック駆動キャビティ）と照合して検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近接する血管の存在が、磁気ハイパーサーミアにおける熱線量分布および腫瘍破壊効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 腫瘍と血管との距離が、治療効果および正常組織への損傷に与える影響は何か？
• RQ3 血管の幅および配向（水平対垂直）が、熱の拡散および破壊性能に与える影響は何か？
• RQ4 血液の流れの性質（非ニュートン性）が、血管壁近傍の速度勾配および熱伝達に与える影響は何か？
• RQ5 脈動や変形に起因する血管境界の動きが、全体の治療成績にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• 近接する血管は腫瘍を顕著に冷却し、熱線量を低下させ、破壊効率を低下させる強い冷却効果を示す。
• 腫瘍と血管との距離が増加するにつれて冷却効果は弱まり、4 mmの距離で最良の結果が得られる。
• 重力が下向きで、下部に水平方向の血管がある配置では、d = 4 mmの条件下で腫瘍の97.77%が破壊され、正常組織への障害はたった0.87%にとどまる。
• 垂直方向の血管は、熱対流のパターンが不利であるため、水平方向の血管に比べて治療成績が劣る。
• 血管の幅および血液の流れの性質は、血管壁近傍の速度勾配を変化させ、熱伝達効率に影響を与える。
• 血管境界の動きは治療効果にほとんど影響を及ぼさないため、剛体壁の仮定が本シミュレーションにおいて妥当であることが示された。