JP2008054975A - 癌凍結融解壊死療法における治療領域の熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法 - Google Patents
癌凍結融解壊死療法における治療領域の熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】癌の凍結融解壊死療法における施術対象器官の施術領域の熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法であって、以下のステップからなる方法:
(1)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した熱伝導シミュレータを用いて、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートし、施術対象器官における凍結用プローブを中心とした温度分布を求め、凍結領域を推定するステップ;
(2)凍結融解壊死療法装置により凍結融解壊死治療を施した器官のX線CT画像データと(1)のステップで推定した凍結領域を比較するステップ;及び
(3)(2)の比較により凍結融解壊死療法による治療部位を推定するステップ。
【選択図】なし
Description
[1] 有限要素解析により、癌の凍結融解壊死療法の施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法であって、凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率を用いてし、治療領域を推定有限要素法による熱伝導シミュレータを構築し、該熱伝導シミュレータにより熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法。
[3] 癌が肺癌、肝臓癌、腎臓癌及び前立腺癌からなる群から選択される[1]又は[2]の治療領域を推定する方法。
[5] 癌の凍結融解壊死療法における施術対象器官の施術領域の熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法であって、少なくとも以下のステップ(1)から(3)が1回行なわれる方法:
(1)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した熱伝導シミュレータを用いて、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートし、施術対象器官における凍結用プローブを中心とした温度分布を求め、凍結領域を推定するステップ;
(2)凍結融解壊死療法装置により凍結融解壊死治療を施した器官のX線CT画像データと(1)のステップで推定した凍結領域を比較するステップ;及び
(3)(2)の比較により凍結融解壊死療法による治療部位を推定するステップ。
[7] ステップ(1)から(3)が2又は3回繰り返される、[6]の治療領域を推定する方法。
[8] 癌が肺癌、肝臓癌、腎臓癌及び前立腺癌からなる群から選択される[5]〜[7]のいずれかの治療領域を推定する方法。
(a)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(b)(a)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、及び
(c)(b)の演算手段により解析された温度分布を表示する手段、を含む装置。
(a)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(b)(a)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、
(c)X線CT装置により得られたX線CT画像データを受け取る手段、及び
(d)(b)の演算手段により解析された温度分布と(c)で受け取ったX線CT画像データを比較して、その結果を表示する手段、を含む装置。
[12] 癌が肺癌、肝臓癌、腎臓癌及び前立腺癌からなる群から選択される[9]〜[11]のいずれかの治療領域を推定するための装置。
[13] さらに、X線CT装置及び/又は癌の凍結融解壊死療法装置を含む[9]〜[12]のいずれかの治療領域を推定するための装置。
コンピュータを、
(i)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(ii)(i)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、及び
(iii)(ii)の演算手段により解析された施術器官における温度分布を表示する手段
として機能させるためのプログラム。
[16] 癌が肺癌、肝臓癌、腎臓癌及び前立腺癌からなる群から選択される[15]の治療領域を推定するためのプログラム。
本発明の凍結融解壊死療法における施術領域の熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法は以下のステップからなる。
(1)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した熱伝導シミュレータを用いて、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートし、施術対象器官における凍結用プローブを中心とした温度分布を求め、凍結領域を推定するステップ、
(2)凍結融解壊死療法装置により凍結融解壊死治療を施した器官のX線CT画像データと(1)のステップで推定した凍結領域を比較するステップ、及び
(3)(2)の比較により凍結融解壊死療法による治療部位を推定するステップ。
(2)1回目の凍結融解壊死療法装置により凍結融解壊死治療を施した器官のX線CT画像データと(1)のステップで推定した凍結領域とを比較するステップ、
(3)(2)の比較により凍結融解壊死療法による治療部位を推定するステップ、
(4)2回目の凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流、代謝熱及び凍結融解に伴う出血による熱流入を調整した熱伝導シミュレータを用いて、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートし、施術対象器官における凍結用プローブを中心とした温度分布を求め、凍結領域を推定するステップ、
(5)2回目の凍結融解壊死療法装置により凍結融解壊死治療を施した器官のX線CT画像データと(1)のステップで推定した凍結領域を比較するステップ、及び
(6)(5)の比較により凍結融解壊死療法による治療部位を推定するステップ。
(a)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(b)(a)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、及び
(c)(b)の演算手段により解析された温度分布を表示する手段、を含む。
(a)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(b)(a)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、
(c)X線CT装置により得られたX線CT画像データを受け取る手段、及び
(d)(b)の演算手段により解析された温度分布と(c)で受け取ったX線CT画像データを比較して、その結果を表示する手段、を含む。
本発明の上記装置は、さらに凍結融解壊死療法装置と組合せてもよく、さらにX線CT装置と組合せてもよい。この場合、凍結融解壊死療法装置を用いて施術した対象器官の画像をX線CT装置により画像データとして得て、該画像データを上記装置に転送する手段を含む。
(i)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(ii)(i)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、及び
(iii)(ii)の演算手段により解析された施術器官における温度分布を表示する手段
として機能させるためのプログラムである。
実施例1 肺における熱伝導シミュレータの構築
1.熱伝導パラメータの調整方法
(1) ex vivo実験による比熱・熱伝導率の調整
肺密度は、肺の状態により0.1〜0.8×10-3g/mm3の範囲で変化することが知られている(Kalef EJ et al., Acta Radiologica. 40(3): 333-337, 1990)。肺の熱伝導率は肺密度に相関して変化すると考えられる。一方、肺の比熱は肺密度によって大幅な変化はないと予想される。そこで、比熱、熱伝導率の順で調整を行った。粉砕して遠心脱気したブタ肺を容器(100mm×100mm×50mm)に入れ(高さ40mm)、上面と深さ方向に5mm間隔で2点にT型熱電対(HYP-1、石川産業、東京)を設置した。液体窒素(-196℃)を冷媒とし、底面(20mm×60mm)をアルミ箔(厚さ12μm)とした冷却源を作成した。気泡が入らないように注意しながら肺組織液の上面にこの冷却源を設置して冷却を開始し、10分間の温度履歴を測定した。熱伝導計算には、2次元の有限要素熱伝導解析ソフトQuick Therm BIO(登録商標)(計算力学研究センター、東京)を用いた。この熱伝導解析の有効精度を検証するために、あらかじめ熱物性値既知の保冷材の冷却温度履歴と計算した温度変化曲線との比較検討を行い、±2℃の精度で温度分布を推定できることを確認した。有限要素モデルは長方形(100mm×40mm)に設定した。熱伝導率および凝固潜熱には水の値(0.6 mW/(mm・℃)(未凍結時)、2.0 mW/(mm・℃)(凍結時)(333 J/g)(Rewcastle JC et al, Physics in Medicine and Biology. 43(12): 3519-3534, 1998)を用いた。凝固潜熱は、組織凍結点(-2℃)(Duck FA: Physical Properties of Tissue-A Comprehensive Reference Book. Academic Press, London, 1990, pp. 9-41.)以下の10℃の範囲で等価比熱に変換して熱伝導シミュレータに設定した。有限要素モデルの境界条件は空気(室温23℃)である。冷却源と肺の境界温度に実測温度変化を設定し、各位置の冷却温度履歴と計算した温度変化曲線の各時刻における差が2℃以下になるような比熱を求めた。
in vivo肺を用いた測温実験により、熱伝導シミュレータにおける組織内血流・呼吸による熱流入項を調整した。in vivo肺の温度分布推定時に考慮すべき素過程を選定するために、各過程による熱流量を文献より見積もってそのオーダーを比較した。組織内血流による熱輸送
は以下のように生体熱伝導方程式の熱輸送項より求める(Pennes HH, Journal of Applied Physiology. 1(2): 93-122, 1948)。
は、熱換気量
を肺胞壁全面で伝達すると仮定して下記の(2)式を立て、これを用いて求める。
熱換気量
はYokoyamaらの知見より(3)式で表される(Yokoyama S et al., Japanese Journal of Biometeorology. 20(1): 1-7, 1983)。
がある。これは、以下のように表される(Chato JC: Thermal Properties of Tissue. In: Skalak R, Chien S ed, Handbook of Bioengineering. McGraw Hill, New York, 1987, pp. 9.1-9.13.)。
である。以上より(1)および(4)式で示される組織内血流による熱輸送および代謝熱を熱伝導シミュレータで調整することにした。具体的には、組織内血流による熱輸送は(1)式内の組織血流量を調整し、代謝熱は(4)式より求めた熱量とした。熱伝導シミュレータには、血流による熱流入を熱伝達率
代謝熱を発熱項として設定し、計算する。
(1)比熱・熱伝導率の調整
調整した肺の比熱は、常温域で3.7 J/(g・℃)、凍結域で1.8 J/(g・℃)となった。肺組織の水の含有量は約80%(紺野邦夫, 島尾和男: 生化学データ. 医学書院, 東京, 1968, pp. 448-449)、水及び氷の比熱はそれぞれ4.2 J/(g・℃)(Chato JC: Thermal Properties of Tissue. In: Skalak R, Chien S ed, Handbook of Bioengineering. McGraw Hill, New York, 1987, pp. 9.1-9.13.)、2.0 J/(g・℃)(Rewcastle JC et al., Physics in Medicine and Biology. 43(12): 3519-3534, 1998)と報告されている。また肺組織のタンパク質(コラーゲン)含有量は約15%(紺野邦夫, 島尾和男: 生化学データ. 医学書院, 東京, 1968, pp. 448-449.)、常温域におけるタンパク質の比熱は1.09J/(g・℃)(Chato JC: Thermal Properties of Tissue. In: Skalak R, Chien S ed, Handbook of Bioengineering. McGraw Hill, New York, 1987, pp. 9.1-9.13.)と報告されている。常温域における肺の比熱は、肺の組成とその構成物質比熱からChatoの知見(Chato JC: Thermal Properties of Tissue. In: Skalak R, Chien S ed, Handbook of Bioengineering. McGraw Hill, New York, 1987, pp. 9.1-9.13.)を基に算出すると3.8 J/(g・℃)となる。よって調整した常温域の肺の比熱は推定値と近いことから妥当な値であると考えられる。低温域(0℃以下)におけるタンパク質の比熱については報告がない。凍結域における肺の比熱は、常温域での比熱を用いて同様に算出すると1.76 J/(g・℃)となった。よって調整した凍結域における肺の比熱も妥当な値であると考えられる。
一般に組織内血流は組織温度低下とともに減少し(中山昭雄: 温熱生理学. 理工学社, 東京, 1983, pp. 129-135.)、組織が凍結する温度(約-2℃)で停止すると考えられる。流れが層流状態で円管径が一定のとき、円管内を流れるニュートン性流体の流量は、流体の粘度変化に反比例する(ポアズイユ則)ことが知られている(日野幹夫: 流体力学. 朝倉書店, 東京, 2005, pp. 215-218.)。
臨床症例において、実施例1において構築した熱伝導シミュレータにより推定した温度分布と術中のX線CT画像を比較した。
Claims (16)
- 有限要素解析により、癌の凍結融解壊死療法の施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法であって、凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率を用いて有限要素法による熱伝導シミュレータを構築し、該熱伝導シミュレータにより熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法。
- 有限要素法による熱伝導解析における熱伝導率に関するパラメータを調整し、さらに血流及び代謝熱による熱流入に関するパラメータを調整し、有限要素法による熱伝導シミュレータを構築する、請求項1記載の治療領域を推定する方法。
- 癌が肺癌、肝臓癌、腎臓癌及び前立腺癌からなる群から選択される請求項1又は2に記載の治療領域を推定する方法。
- 施術される個体ごとに施術対象器官の熱伝導率を決定し、熱伝導シミュレータを構築する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の治療領域を推定する方法。
- 癌の凍結融解壊死療法における施術対象器官の施術領域の熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法であって、少なくとも以下のステップ(1)から(3)が1回行なわれる方法:
(1)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した熱伝導シミュレータを用いて、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートし、施術対象器官における凍結用プローブを中心とした温度分布を求め、凍結領域を推定するステップ;
(2)凍結融解壊死療法装置により凍結融解壊死治療を施した器官のX線CT画像データと(1)のステップで推定した凍結領域を比較するステップ;及び
(3)(2)の比較により凍結融解壊死療法による治療部位を推定するステップ。 - ステップ(1)から(3)が複数回繰り返される、請求項5記載の治療領域を推定する方法。
- ステップ(1)から(3)が2又は3回繰り返される、請求項6記載の治療領域を推定する方法。
- 癌が肺癌、肝臓癌、腎臓癌及び前立腺癌からなる群から選択される請求項5〜7のいずれか1項に記載の治療領域を推定する方法。
- 癌の凍結融解壊死療法において、治療領域を推定するための装置であって、
(a)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(b)(a)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、及び
(c)(b)の演算手段により解析された温度分布を表示する手段、を含む装置。 - 癌の凍結融解壊死療法において、治療領域を推定するための装置であって、
(a)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(b)(a)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、
(c)X線CT装置により得られたX線CT画像データを受け取る手段、及び
(d)(b)の演算手段により解析された温度分布と(c)で受け取ったX線CT画像データを比較して、その結果を表示する手段、を含む装置。 - 演算手段により解析された温度分布と受け取ったX線CT画像データを比較して、その結果を表示する手段がX線CT画像に温度分布を重ねて表示する手段である請求項10記載の装置。
- 癌が肺癌、肝臓癌、腎臓癌及び前立腺癌からなる群から選択される請求項9〜11のいずれか1項に記載の治療領域を推定するための装置。
- さらに、X線CT装置及び/又は癌の凍結融解壊死療法装置を含む請求項9〜12のいずれか1項に記載の治療領域を推定するための装置。
- 癌の凍結融解壊死療法における施術部位の熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定するためのプログラムであって、
コンピュータを、
(i)凍結融解壊死療法の施術対象器官の熱伝導率、血流及び代謝熱による熱流入を調整した、施術対象器官における凍結融解壊死療法装置の凍結用プローブからの熱伝導をシミュレートするための熱伝導シミュレータを格納する記憶手段、
(ii)(i)の熱伝導シミュレータにより凍結用プローブを中心とした施術対象器官の温度分布を推定するための演算手段、及び
(iii)(ii)の演算手段により解析された施術器官における温度分布を表示する手段
として機能させるためのプログラム。 - さらに、コンピュータを(iv)X線CT画像データを受け取る手段、(v)(iii)の手段により解析された施術器官における温度分布と(iv)の手段により受け取られたX線CT画像データを比較する手段、及び(vi)(v)の手段により比較された結果を表示する手段として機能させるための、請求項14記載の治療領域を推定するためのプログラム。
- 癌が肺癌、肝臓癌、腎臓癌及び前立腺癌からなる群から選択される請求項15記載の治療領域を推定するためのプログラム。
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JP2006236360A JP2008054975A (ja) | 2006-08-31 | 2006-08-31 | 癌凍結融解壊死療法における治療領域の熱伝導をシミュレートし、治療領域を推定する方法 |
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- 2006-08-31 JP JP2006236360A patent/JP2008054975A/ja active Pending
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