Podejście do modelowania obliczeniowego w celu zbadania wpływu hipertermii na mikrośrodowisko guza

Artykuł opisuje protokół do symulacji przejściowych profili temperatury i sprzężonej czasoprzestrzennej zmienności ciśnienia płynu śródmiąższowego po ogrzewaniu dostarczanym przez dipolarny system hipertermii o częstotliwości radiowej. Protokół może być wykorzystany do oceny odpowiedzi parametrów biofizycznych charakteryzujących mikrośrodowisko guza na techniki hipertermii interwencyjnej.

Badania te mają na celu wykorzystanie modelowania obliczeniowego do zbadania wpływu lokalnej interwencji termicznej o częstotliwości radiowej na biomechanikę guza. Skupimy się w szczególności na wysokim ciśnieniu wewnątrznowotworowym spowodowanym nieprawidłowym przepływem krwi w obrębie guza, co jest jedną z głównych barier w skutecznej dystrybucji środków terapeutycznych. Interwencje, takie jak hipertermia o częstotliwości radiowej, zostały ostatnio zbadane jako potencjalne narzędzie do zaburzania mikrośrodowiska guza, na przykład zwiększając przepływ krwi, a tym samym zmniejszając ciśnienie wewnątrznowotworowe.

Może to prowadzić do korzystniejszych warunków do dystrybucji środków terapeutycznych i potencjalnie poprawić odpowiedź pacjenta na leczenie terapeutyczne. Obecnie dostępne do pomiaru ciśnienia wewnątrznowotworowego opierają się na technikach inwazyjnych, które dostarczają informacji ilościowych tylko w kilku lokalizacjach w obrębie guza. Model obliczeniowy może dostarczyć środków do oceny szczególnego profilu zmiennych biofizycznych w całym guzie.

Protokół to opis obliczeniowego przepływu pracy, który ujmuje związek między temperaturą tkanek a perfuzją krwi napędzającą zmiany ciśnienia wewnątrznowotworowego. Protokół opisuje geometrię modelu, która w zasadzie odzwierciedla warunki eksperymentalne in vivo zaprojektowane w celu przybliżenia klinicznej interwencji termicznej. Perspektywa wykorzystania modeli obliczeniowych do pogłębienia naszej wiedzy na temat tego, w jaki sposób na parametry fizyczne mikrośrodowiska guza, takie jak ciśnienie wewnątrznowotworowe, mogą wpływać lokalne interwencje termiczne.

Aby rozpocząć wybór pól i prądów elektrycznych z fizyki prądu przemiennego/stałego, wymiany ciepła i ciał stałych z fizyki wymiany ciepła oraz interfejsów PDE z fizyki matematycznej, zdefiniuj geometrie, wybierając geometrię z górnej wstążki. Przejdź do zdefiniowania dwóch stożków o wymiarach wyświetlanych w tabeli na ekranie. Ustaw stożki w odległości wskazanej w tabeli.

Te dwa stożki modelują dwie igły podskórne używane do budowy bipolarnego systemu częstotliwości radiowych. Zduplikuj dwa stożki, aby zamodelować izolację igieł, modyfikując rozmiar stożka. Następnie wybierz cylinder o odpowiedniej wysokości i średnicy, aby modelować tło tkanki mięśniowej umieszczonej przy wartości Z wynoszącej minus dziewięć milimetrów, przy jednoczesnym utrzymaniu wartości X i Y na poziomie zerowym.

Wybierz inny walec o odpowiednich wymiarach, aby zamodelować cienką warstwę warstwy warstwy umieszczoną przy wartości Z wynoszącej cztery milimetry z wartościami X i Y wyzerowanymi. Następnie należy wybrać kulę o odpowiedniej średnicy, aby zamodelować guza podskórnego umieszczonego na wartości Z minus 0,5 milimetra z wartościami X i Y na zero. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy definicje i wybierz funkcje, a następnie po kawałku.

Określ nazwę funkcji i określ temperaturę T jako argument funkcji. Wpisz wyrażenie matematyczne dla każdego przedziału temperatur zgodnego z wyświetlanymi równaniami. Powtórz kroki, używając wartości nominalnych wymienionych w wyświetlonej tabeli, aby dodać zależne od temperatury funkcje obfitości krwi i ciśnienia naczyniowego dla każdego modelu tkanki.

Aby utworzyć połączenie z elektromagnetyczną symulacją termiczną, wyraź ciśnienie naczyniowe PV jako funkcję temperatury. Aby przypisać właściwości materiałów do komponentów geometrii, przejdź do sekcji Materiały i kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wybrać więcej materiałów, a następnie materiał porowaty. Kliknij prawym przyciskiem myszy porowaty materiał, aby wybrać płynne i stałe składniki.

Wybierz węzeł płynu, a następnie w obszarze Właściwości płynu wybierz pozycję krew. Wybierz węzeł bryły, a następnie w obszarze Właściwości bryły wybierz pozycję guza. W węźle bryły określ ułamek objętościowy zdefiniowany jako ciało stałe theta.

Włącz wybór ręczny i wybierz element geometryczny odpowiadający określonemu materiałowi. Aby postępować zgodnie z tym protokołem, załóżmy, że obszar guza jest domeną poroelastyczną. Po zbudowaniu bipolarnego modelu hipertermii o częstotliwości radiowej przystąp do konfiguracji problemu elektrycznego.

Kliknij prawym przyciskiem myszy węzeł prądów elektrycznych. Dla elektrycznych warunków brzegowych na wyświetlonym rysunku wybierz zacisk i uziemienie jako obwiednie. W przypadku terminala ręcznie wybierz proksymalny koniec górnej części jednej z dwóch igieł.

Zidentyfikowana igła zapewni napięcie wejściowe. Następnie w obszarze terminal wybierz moc i określ odpowiednią wartość. Dla tego protokołu wybierz 0,5 wata dla łagodnej hipertermii na podstawie wstępnych eksperymentów ex vivo.

Następnie wybierz masę i ręcznie wybierz bliższą powierzchnię drugiej igły, działającą jako elektroda powrotna dla powracającej ścieżki prądu elektrycznego. Nałożyć izolację elektryczną na pozostałą powierzchnię zewnętrzną modelu. Aby skonfigurować problem termiczny, wybierz węzeł wymiany ciepła i ciał stałych i określ 33 stopnie Celsjusza jako początkową wartość temperatury.

Aby modelować efekt radiatora spowodowany przepływem krwi, kliknij prawym przyciskiem myszy wymianę ciepła w ciałach stałych, dodaj domenę źródła ciepła i wybierz geometrię, w której należy wziąć pod uwagę efekty radiatora, czyli guz i normalną tkankę. Wybierz źródło ogólne, a następnie zdefiniowane przez użytkownika i wpisz wyrażenie dla radiatora. Dla termicznych warunków brzegowych na wyświetlonym rysunku kliknij prawym przyciskiem myszy na wymianę ciepła, dodaj strumień ciepła jako warunek brzegowy i określ powierzchnie zewnętrzne, do których stosowany jest strumień ciepła.

Jako typ strumienia wybierz konwekcyjne strumienie ciepła. Jako współczynnik przenikania ciepła należy użyć H równego 15 watów na metr kwadratowy na kelwin, aby zamodelować mechanizm naturalnej wymiany ciepła między skórą a powietrzem. Określ temperaturę zewnętrzną.

Użyj T równa się 20 stopni Celsjusza do modelowania temperatury otoczenia w środowisku laboratoryjnym. Aby skonfigurować problem z dynamiką płynów, wybierz współczynnik z węzła PDE i określ ciśnienie jako zmienną zależną. Na tym etapie automatycznie przypisywana jest jednostka pascal.

Określ jednostkę przewodności płynu jeden na sekundę jako ilość terminu źródłowego. Zdefiniuj nazwę, aby zidentyfikować zmienną PI lub ciśnienie płynu śródmiąższowego w tym badaniu. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy węzeł współczynnika PDE i wybierz domenę postaci współczynnika.

Określ jednostkę geometryczną, do której odnosi się równanie, jako guza. Powtórz te same kroki i wybierz pozostałą tkankę jako normalną tkankę, do której należy nałożyć inny PDE. Dla modelu guza określ wyświetlane współczynniki w warunkach uzyskania równania zachowania masy.

W przypadku modelu guza należy pominąć wkład układu limfatycznego. Ustaw wszystkie inne współczynniki na wartość równą zero. Podobnie, dla modelu tkanki normalnej, określ wyświetlane współczynniki pod względem uzyskania równania zachowania masy.

W przypadku normalnej tkanki należy wziąć pod uwagę wkład układu limfatycznego. Ustaw wszystkie inne współczynniki na wartość równą zero. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy współczynnik z PDE i wybierz wartości początkowe.

Wybierz domenę geometryczną jako guz i powtórz ten sam krok dla normalnego modelu tkankowego. Określ PI0 dla guza i normalnej tkanki zgodnie z wartościami podanymi w wyświetlonej tabeli. Dla warunków brzegowych związanych z badaniem dynamiki płynów pokazanym na wyświetlonym rysunku, należy kliknąć prawym przyciskiem myszy na współczynnik z PDE i wybrać warunki brzegowe Dirichleta.

Wybierz zewnętrzną powierzchnię normalnej domeny tkankowej i przypisz początkową wartość ciśnienia śródmiąższowego, oznaczoną jako PI0, odpowiadającą normalnej tkance. Na koniec, aby uruchomić symulacje, należy wybrać stan przejściowy częstotliwości z węzła badania. Określ jednostkę czasu w sekundach i ustaw częstotliwość na 500 kiloherców.

Po 15 minutach symulowanego ogrzewania za pomocą 0,5 wata przyłożonej mocy, ponad 50% objętości guza osiągnęło stan łagodnej hipertermii, przy czym temperatura w okolicy guza najbliżej igły przekraczała 45 stopni Celsjusza. W porównaniu z warunkami początkowymi, ciśnienie płynu śródmiąższowego stopniowo spadało z dziewięciu milimetrów rtęci w centrum guza do zera na krawędzi. Prędkość płynu nie przekraczała 0,2 mikrona na sekundę w całej domenie guza, w tym na obrzeżach.

Ciśnienie płynu śródmiąższowego w czasie zmieniało się różnie w różnych odległościach promieniowych od źródła ciepła. W promieniu trzech milimetrów od igieł ciśnienie płynu reagowało na gwałtowny wzrost temperatury, ale ostatecznie nie wykazało żadnych zmian pod koniec ogrzewania. Jednak ciśnienie w pozostałej części guza stale spadało.