[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究开发了一个全面的计算框架，用于模拟靠近血管的磁力 hyperthermia 癌症治疗，整合了热传导、磁性纳米颗粒（MNPs）的质量传递、间质液流动以及血液流变学。模型显示，邻近的血管会显著冷却肿瘤，降低消融效率——然而，通过优化位置（例如，重力向下且水平血管位于 4 mm 距离处），可实现 97.77% 的肿瘤消融率，仅造成 0.87% 的健康组织损伤。

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.

研究动机与目标

• 开发一个综合性的磁力 hyperthermia 模拟框架，整合肿瘤区域附近血管的热、质和流体动力学。
• 使用 CEM43 作为指标，量化邻近血管对热剂量分布和治疗效率的影响。
• 研究血管距离、宽度、取向、血液流变学以及移动血管边界对治疗结果的影响。
• 通过浸入边界法和非牛顿血液流动的基准案例验证数值模型。

提出的方法

• 使用浸入边界法（IBM）模拟流体-结构相互作用，通过拉格朗日标记和欧拉网格建模移动的血管壁。
• 应用纳维-斯托克斯方程模拟间质液和血液流动场，使用 Carreau-Yasuwa 模型描述非牛顿血液流变学。
• 求解包含 MNP 诱导产热的彭罗斯生物热传导方程（PBHTE），以预测温度场。
• 采用对流-扩散方程建模 MNP 的质量传递，以追踪组织中纳米颗粒的分布。
• 采用 CEM43 热剂量指标评估治疗效率，考虑空间和时间上的非均匀性。
• 通过已建立的基准案例（圆柱绕流和顶盖驱动腔流）验证 IBM 和非牛顿流模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 邻近血管的存在如何影响磁力 hyperthermia 中的热剂量分布和肿瘤消融效率？
• RQ2 肿瘤与血管之间的距离对治疗效率和健康组织损伤有何影响？
• RQ3 血管宽度和取向（水平与垂直）如何影响热量散发和消融性能？
• RQ4 血液流变学（非牛顿行为）在改变血管壁附近的速度梯度和传热方面起什么作用？
• RQ5 血管边界的移动（由于搏动和形变）对整体治疗结果的影响有多大？

主要发现

• 邻近血管对肿瘤产生强烈的冷却效应，降低热剂量并减少消融效率。
• 随着肿瘤与血管之间距离的增加，冷却效应减弱，4 mm 距离时达到最佳效果。
• 在重力向下且下部为水平血管的构型下，d = 4 mm 时可实现 97.77% 的肿瘤消融率，仅造成 0.87% 的健康组织损伤。
• 与水平血管相比，垂直血管导致治疗效果更差，原因在于热对流模式更不利。
• 血管宽度和血液流变学通过改变血管壁附近的速度梯度，影响传热效率，从而影响治疗效果。
• 血管边界的移动对治疗效率影响可忽略不计，表明在此模拟中采用刚性壁假设是可接受的。