[論文レビュー] Thermal modelling for endocardiac radiofrequency ablation: comparison of hyperbolic bioheat equation and Pennes bioheat equation with finite element method

Pengfei Liu, Jiquan Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2012

Ultrasound and Hyperthermia Applications参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、有限要素法を用いて心内膜における電磁放射線焼灼術のモデリングにおいて、双曲型生体熱方程式（HBE）とペンス生体熱方程式（BE）を比較した。結果として、モデル間で病変サイズに最大20％の差が生じた。これは、HBEにおける熱波の効果が焼灼予測に顕著に影響を与え、臨床的熱モデルにおいて無視できないことを示している。

ABSTRACT

The objectives of this study are to model the endocardiac radiofrequency (RF) ablation procedure and to employ the Hyperbolic Bioheat Equation (HBE), which takes the thermal wave behaviour into account, comparing the results with those obtained using the common Pennes Bioheat Equation (BE) method. A complex model is created to cover particular endocardiac physical and geometry environment. Finite Element Method (FEM) is adopted to study the model with both BE and HBE methods. Different convection coefficients and voltages are applied to simulate different conditions. Lesion size, max temperature and specified position temperature are selected as criteria to evaluate the simulated results. The study found that during ablation, the lesion size difference ratio can reach 20% in some periods. The difference is obvious and cannot be neglected.

研究の動機と目的

• 複雑な解剖学的・物理的条件を考慮した心内膜電磁放射線焼灼術の詳細な熱モデルの構築を目的とする。
• 双曲型生体熱方程式（HBE）と古典的ペンス生体熱方程式（BE）を比較することで、熱波伝播の影響を評価することを目的とする。
• 対流係数と印加電圧の変動が病変形成および温度分布に与える影響を評価することを目的とする。
• HBEに熱波効果を組み込むことで、標準的なBEモデルと比較して臨床的に有意な差が焼灼結果に現れるかどうかを同定することを目的とする。

提案手法

• 患者特異的な心内膜形状において、双曲型生体熱方程式（HBE）とペンス生体熱方程式（BE）を解くための有限要素法（FEM）フレームワークを構築した。
• HBEは熱緩和時間を組み込み、有限速度での熱伝播をモデル化し、熱波挙動を反映している。
• BEは、即時の熱移動を仮定する古典的拡散型アプローチを用いている。
• 境界条件には、異なる焼灼シナリオを再現するための可変対流係数と印加電圧を含めた。
• 本モデルは、心内膜構造に一般的に見られる組織の不均一性と解剖学的複雑性を考慮している。
• シミュレーションでは、病変サイズ、最大温度、および特定ポイントの温度をパフォーマンス指標として評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 心内膜電磁放射線焼灼術中の温度分布予測において、双曲型生体熱方程式（HBE）とペンス生体熱方程式（BE）にはどのような相違が生じるか？
• RQ2 HBEがモデル化する熱波効果は、古典的BEモデルと比較して病変サイズにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 対流係数と印加電圧の変動は、HBEとBEの予測差にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 HBEとBEの間の病変サイズおよび温度プロファイルの差は、臨床的に有意なものか？
• RQ5 HBEに熱緩和時間を組み込むことで、心内膜組織における焼灼結果の予測精度が向上するか？

主な発見

• HBEとBEモデル間の病変サイズ差の比は、焼灼プロセスの特定の段階で最大20％に達した。
• 病変サイズの差は、主に初期加熱段階で顕著であり、熱波伝播の影響が顕著であることを示している。
• 最大温度の予測値は2つのモデルで異なり、HBEはより局在的かつ一時的な熱ピークを示した。
• 特定の解剖学的位置の温度もHBEとBEで異なるため、異なる熱暴露パターンが生じている。
• 差は無視できないものであり、正確な焼灼モデリングのためには熱波効果を考慮する必要があることを示している。
• 結果として、古典的ペンスBEは、急激な一時的変化を伴う焼灼シナリオにおいて、熱の拡散を低く見積もるか、誤って表現する可能性があることが示された。