HIFUアブレーション治療の持続時間短縮に関する数値的研究とその実験的検証

Numerical studies on shortening the duration of HIFU ablation therapy and their experimental validation.

抄録

高密度焦点式超音波（High Intensity Focused Ultrasound：HIFU）は、様々な臓器に存在する悪性および良性の固形腫瘍の熱切除に臨床で使用されている。この技術の普及を制限している理由の一つは、加熱ビームの焦点体積の大きさと腫瘍の大きさの差が大きいために、治療時間が長いことである。したがって、大きな腫瘍の治療には、その体積を一連の単一加熱ビームで走査する必要があり、その焦点は、超音波照射の間に特定の時間と距離の間隔をおいて、特定の軌道に沿って焦点面内を移動する。走査中に腫瘍を取り囲む健康な組織の望ましくない温度上昇を避けるため、各HIFUビームの音響パワーと照射時間、および超音波照射の時間間隔は、腫瘍の体積全体をできるだけ早く壊死で覆うように選択すべきである。そうすれば治療費を削減できる。本研究の目的は、個々の加熱ビームの平均音響パワーと照射時間、および超音波照射の時間間隔を選択することで、治療時間を大幅に短縮できるという仮説を定量的に評価することである。3次元数値シミュレーションを用いて、直径5mmまたは9mmの腫瘍（HIFUビームを複数回照射する必要がある）の治療期間が、閾値熱線量（CEM=240分）を治療組織体積に照射できる各単一ビームの超音波照射パラメータ（音響パワー、照射時間）に依存するかを調べた。治療時間は、個々のビームの照射時間と超音波照射間の時間間隔の合計として決定した。腫瘍は12.6mmの深さの生体外組織サンプル内に位置した。HIFUトランスデューサーと組織の間の水層の厚さは50mmであった。開発したアルゴリズムを用いて選択した超音波照射とスキャニングのパラメータは、一定の音響パワー、一定の照射時間（3秒）、一定の超音波照射間隔（120秒）のHIFUビームを使用した場合の同じ切除計画の期間と比較して、5mmの腫瘍でほぼ14倍、9mmの腫瘍で20倍、切除処置の期間を短縮した。形成された壊死性病変の位置と大きさの計算結果は、生体外の豚ロース肉サンプルで実験的に検証され、両者はよく一致した。このようにして、各HIFUビームの超音波照射とスキャニングのパラメーターを適切に選択することで、HIFU治療の時間を大幅に短縮できることが証明された。

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is used in clinical practice for thermal ablation of malignant and benign solid tumors located in various organs. One of the reason limiting the wider use of this technology is the long treatment time resulting from i.a. the large difference between the size of the focal volume of the heating beam and the size of the tumor. Therefore, the treatment of large tumors requires scanning their volume with a sequence of single heating beams, the focus of which is moved in the focal plane along a specific trajectory with specific time and distance interval between sonications. To avoid an undesirable increase in the temperature of healthy tissues surrounding the tumor during scanning, the acoustic power and exposure time of each HIFU beam as well as the time intervals between sonications should be selected in such a way as to cover the entire volume of the tumor with necrosis as quickly as possible. This would reduce the costs of treatment. The aim of this study was to quantitatively evaluate the hypothesis that selecting the average acoustic power and exposure time for each individual heating beam, as well as the temporal intervals between sonications, can significantly shorten treatment time. Using 3D numerical simulations, the dependence of the duration of treatment of a tumor with a diameter of 5 mm or 9 mm (requiring multiple exposure to the HIFU beam) on the sonication parameters (acoustic power, exposure time) of each single beam capable of delivering the threshold thermal dose (CEM = 240 min) to the treated tissue volume was examined. The treatment duration was determined as the sum of exposure times to individual beams and time intervals between sonications. The tumor was located inside the ex vivo tissue sample at a depth of 12.6 mm. The thickness of the water layer between the HIFU transducer and the tissue was 50 mm. The sonication and scanning parameters selected using the developed algorithm shortened the duration of the ablation procedure by almost 14 times for a 5-mm tumor and 20 times for a 9-mm tumor compared to the duration of the same ablation plan when a HIFU beam was used of a constant acoustic power, constant exposure time (3 s) and constant long time intervals (120 s) between sonications. Results of calculations of the location and size of the necrotic lesion formed were experimentally verified on ex vivo pork loin samples, showing good agreement between them. In this way, it was proven that the proper selection of sonication and scanning parameters for each HIFU beam allows to significantly shorten the time of HIFU therapy.