[논문 리뷰] Heat Transfer Simulation for Optimization and Treatment Planning of Magnetic Hyperthermia Using Magnetic Particle Imaging

Natsuo Banura, Atsushi Mimura외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 26.

Characterization and Applications of Magnetic Nanoparticles참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 자기입자영상촬영(MRI)에서 유도된 특별흡수비율(SAR) 데이터와 CT/MRI에서 유도된 해부학적 모델을 COMSOL Multiphysics에 통합하여 자기열치료(MHT) 최적화를 위한 열전달 시뮬레이션 시스템을 개발한다. MPI 픽셀 값과 SAR 간에 강한 상관관계(r = 0.956)를 보이며, 이는 실험 데이터와 일치하는 정확한 시간 해상도 온도 시뮬레이션을 가능하게 하며, 생체 내에서 구현이 어려운 혈류 및 공간적 영향을 가상으로 탐색할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

This study was undertaken to develop a system for heat transfer simulation for optimization and treatment planning of magnetic hyperthermia treatment (MHT) using magnetic particle imaging (MPI). First, we performed phantom experiments to obtain the regression equation between the MPI pixel value and the specific absorption rate (SAR) of magnetic nanoparticles (MNPs), from which the MPI pixel value was converted to the SAR value in the simulation. Second, we generated the geometries for use in the simulation by processing X-ray computed tomography (CT) and MPI images of tumor-bearing mice injected intratumorally with MNPs (Resovist). The geometries and MPI images were then imported into software based on a finite element method (COMSOL Multiphysics) to compute the time-dependent temperature distribution for 20 min after the start of MHT. There was an excellent correlation between the MPI pixel value and the SAR value (r = 0.956). There was good agreement between the time course of the temperature rise in the tumors obtained by simulation and that obtained experimentally. The time-dependent temperature distributions under various blood perfusion rates in the tumors and at various locations could be simulated, which cannot be easily obtained experimentally. These results suggest that our system for heat transfer simulation using MPI will be useful for the optimization and treatment planning of MHT.

연구 동기 및 목표

• 자기입자영상촬영(MPI)을 사용하여 자기열치료(MHT) 최적화를 위한 시뮬레이션 프레임워크를 개발한다.
• MPI 픽셀 값과 자기나노입자(MNPs)의 특별흡수비율(SAR) 간의 정량적 연관성을 수립한다.
• 환자의 해부학적 데이터를 기반으로 CT 및 MPI에서 유도된 데이터를 사용하여 MHT 시작 후 시간에 따라 변화하는 종양 내 온도 분포를 시뮬레이션한다.
• 다양한 혈류 순환 속도와 종양 내 위치를 모델링하여 가상의 치료 계획 수립을 가능하게 한다.
• 실험적 종양 유착 마우스에서의 온도 측정 결과와 비교하여 시뮬레이션 결과를 검증한다.

제안 방법

• MNP의 SAR와 MPI 픽셀 값 간의 상관관계를 유도하기 위해 허브 모형 실험을 수행하였다 (Resovist).
• MNP를 투여한 종양 유착 마우스의 X선 단층촬영(CT) 및 MPI 영상을 확보하여 해부학적 기하 구조를 재구성하였다.
• COMSOL Multiphysics에 CT/MRI 및 MPI 데이터를 임포트하여 유한요소법(FEM) 기반 열전달 시뮬레이션을 수행하였다.
• MPI에서 유도된 SAR 값을 기반으로 MHT 시작 후 20분 동안의 시간에 따라 변화하는 온도 변화를 시뮬레이션하였다.
• 혈류 순환 속도와 종양 위치를 다양하게 설정하여 다양한 생리적 조건에서의 열 반응을 평가하였다.
• 정확성을 확보하기 위해 시뮬레이션 결과를 생체 내 온도 측정 결과와 비교 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MPI 픽셀 값은 자기열치료 시뮬레이션에 사용하기 위해 특별흡수비율(SAR) 값으로 신뢰성 있게 변환될 수 있는가?
• RQ2 제안된 시뮬레이션 시스템은 MHT 동안 종양 내 온도 변화의 시간적 변화를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 이 시뮬레이션 모델은 생체 내에서 관찰된 실험적 온도 역학을 어느 정도 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 다양한 종양 혈류 순환 속도는 MHT 동안 예측된 온도 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시뮬레이션 시스템은 공간적 및 순환적 변화를 모델링함으로써 치료 계획 수립에 효과적으로 기여할 수 있는가?

주요 결과

• MPI 픽셀 값과 SAR 간에 강한 상관관계(r = 0.956)를 관찰하여, MPI 데이터로부터 신뢰성 있는 SAR 추정이 가능하다.
• 종양 내 온도 상승이 시간에 따라 실험 측정 결과와 밀도 있게 일치하여 모델의 정확도가 검증되었다.
• 혈류 순환 속도가 다양한 조건에서의 온도 분포를 성공적으로 예측하였으며, 이는 실험적으로 측정하기 어려운 영역이다.
• 이 시스템은 다양한 종양 위치에서의 열 반응을 가상으로 탐색할 수 있도록 하여 개인 맞춤형 치료 계획 수립을 지원한다.
• MPI에서 유도된 SAR와 환자별 해부학적 데이터의 통합은 비침습적이고 실시간 기반의 치료 최적화를 가능하게 한다.
• 치료 전 시뮬레이션 및 최적화를 가능하게 하여 임상적 적용에 실현 가능한 프레임워크를 제공한다.