[논문 리뷰] Simulation of magnetic hyperthermia cancer treatment near a blood vessel

Qian Jiang, Renhai Feng외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 27.

Characterization and Applications of Magnetic NanoparticlesEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 혈관 근처에서 자성을 띤 나노입자(MNP)를 이용한 자기열치료를 시뮬레이션하기 위한 통합된 수치 계산 프레임워크를 개발한다. 열전달, MNP의 질량 이동, 간질류체 유동, 혈액의 점성도를 통합하여 분석한다. 모델은 인근 혈관이 종양을 냉각시켜 치료 효과를 떨어뜨리는 것으로 나타났다. 그러나 최적의 위치 조건(예: 중력 하방, 4mm 거리의 수평 혈관)을 적용할 경우 종양의 97.77%를 제거하고 건강한 조직 손상은 0.87%로 줄일 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 혈관 근처 종양 부위에서 열, 질량, 유체역학을 통합한 종합적인 시뮬레이션 프레임워크를 개발한다.
• CEM43를 지표로 하여 인근 혈관이 열선량 분포와 치료 효과에 미치는 영향을 정량화한다.
• 혈관과의 거리, 폭, 방향, 혈액의 점성도, 움직이는 혈관 벽의 영향을 치료 결과에 미치는 영향을 조사한다.
• 침수 경계 및 비뉴턴 혈액 유동에 대한 기준 사례를 이용해 수치 모델을 검증한다.

제안 방법

• 유체-구조 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 침수 경계 방법(IBM)을 사용하며, 라그랑주 마커와 옆구리 격자를 이용해 움직이는 혈관 벽을 모델링한다.
• 비르누이-스토크스 방정식을 사용해 간질류체 및 혈액 유동장을 모델링하며, 비뉴턴 혈액 점성도는 카르누-야스와 모델로 기술한다.
• MNP에 의해 유도되는 열 생성을 고려해 펜스 생체열전달 방정식(PBHTE)을 해결하여 온도 분포를 예측한다.
• 유동-확산 방정식을 사용해 조직 내 나노입자의 분포를 추적하기 위해 MNP 질량 이동을 모델링한다.
• 공간적·시간적 비균일성을 고려한 치료 효과 평가를 위해 CEM43 열선량 지표를 사용한다.
• 침수 경계 및 비뉴턴 유동 모델을 기존 기준 사례(원통체 둘러싼 유동 및 리드드라이브 캐비티)와 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근처에 혈관이 존재할 경우 자기열치료에서 열선량 분포와 종양 제거 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 종양과 혈관 사이의 거리가 치료 효능과 건강한 조직 손상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 혈관의 폭과 방향(수평 대비 수직)이 열 방출과 제거 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 혈액의 점성도(비뉴턴 거동)가 혈관 벽 근처의 속도 기울기와 열전달에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 혈관 벽의 움직임(박동 및 변형으로 인한)이 전체 치료 결과에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 근처에 혈관이 존재하면 종양에 강한 냉각 효과가 발생하여 열선량이 감소하고 제거 효율이 떨어진다.
• 혈관과 종양 사이의 거리가 증가할수록 냉각 효과가 감소하며, 4mm 거리에서 최적의 결과를 얻을 수 있다.
• 중력 하방 방향이며 하단에 수평 혈관이 위치한 구성에서 d = 4mm일 때 종양의 97.77%를 제거하고 건강한 조직 손상은 0.87%에 그친다.
• 수직 혈관은 수평 혈관에 비해 열대류 패턴이 불리하여 치료 결과가 열 劣화된다.
• 혈관 폭과 혈액의 점성도는 혈관 벽 근처의 속도 기울기를 변화시켜 열전달 효율성에 영향을 미친다.
• 혈관 벽의 움직임은 치료 효능에 거의 영향을 주지 않아, 이 시뮬레이션에서는 경직된 벽 가정이 타당하다.