نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک و مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تهران، تهران

2 گروه فیزیک پزشکی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی ایران، تهران

10.22041/ijbme.2018.79954.1320

چکیده

در مطالعات کلینیکی، مشخص کردن توزیع دما درون بافت سالم و بافت تومورال در هنگام درمان هایپرترمی دشوار است. از آن‌جا ‌که با حس‌گرهای مرسوم، دما تنها در تعداد مکان محدودی اندازه‌گیری می‌شود، مطالعات شبیه‌سازی کمک می‌کند تا پزشکان به درک بهتری از این روش درمانی دست پیدا کنند. در این مطالعه، سه مدل تومور دوبعدی بر اساس تصاویر توزیع‌های نانوذره در تومورهای 3PC، 145DU و 4LAPC در محیط کامسول بازسازی شده است. تصاویر، پیش از وارد شدن در کامسول در متلب پیش‌پردازش می‌شوند. مدل توزیع یک‌نواخت به عنوان گروه کنترل اضافه می‌شود. توزیع دما، دمای ماکزیمم، زمان رسیدن به حالت ثابت، 43CEM، دوز هم اثر و شار گرما در مرز بافت-تومور برای ارزیابی اثر توزیع نانوذره بر درمان هایپرترمی آنالیز شده است. نتایج نشان می‌دهند که در توان گرمایی بالا، توزیع چگال‌تر نانوذره اثر بهتری از توزیع یک‌نواخت در آسیب به بافت ناسالم دارد اما در توان‌های گرمایی پایین توزیع یک‌نواخت عمل‌کرد بهتری نسبت به توزیع چگال دارد. برای توزیع‌های چگال نانوذره، در محلی که نانوذرات متمرکز می‌شوند، روی پارامترهای گرمایی، از جمله شار گرما در مرز بین تومور-بافت سالم، تاثیر می‌گذارد. هر چه تمرکز نانوذرات به مرکز تومور نزدیک‌تر باشد، اثربخشی درمان بیش‌تر خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Simulation of Nano-Particle Mediated Hyperthermia inside Homogeneous Tissue in External Magnetic Field

نویسندگان [English]

  • Mohammad Nazari 1
  • Razieh Solgi 1
  • Ghazale Graily 1
  • Seyed Rabi Mahdavi 2
  • Alireza Shirazi 1

1 Department of Biophysics & Biomedical Engineering, School of Medicine, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran

2 Department of Medical Physics, School of Medicine, Iran University of Medical Sciences, Tehran, Iran

چکیده [English]

In clinical studies, it is difficult to determine the temperature distribution throughout both tumor and normal tissue during hyperthermia treatment, since temperatures are sampled at only a limited number of locations with conventional sensors. Simulation studies can help physicians understand better the effects of the treatment. In this study, three 2D tumor models are built in the COMSOL software environment based on the images of nano-particle distributions in sliced PC3, DU145 and LAPC4 tumors. The images are pre-processed in MATLAB before being imported into COMSOL. A uniform distribution model is added as a control group. Temperature distribution, maximum temperature, time to reach steady state, CEM43, iso-effective dose and heat flux at tumor-tissue boundary are analyzed to evaluate the effect of the nano-particle distribution on hyperthermia treatment. The results indicate that a more concentrated nano-particle distribution is better in damaging diseased tissue than the uniform distribution under high heating power. A more uniform distribution is better than the concentrated distribution under low heating power. For concentrated nano-particle distributions, the location where the nano-particles are concentrated influences tissue damage: a more centered one has a better effect. Tumor tissue is more likely to be defective.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Simulation
  • COMSOL
  • Magnetic Nano-Particle
  • Hyperthermia

[1]    DeSantis C, Ma J, Bryan L, Jemal A. Breast cancer statistics, 2013. CA: a cancer journal for clinicians. 2014;64(1):52-62.

[2]    DeSantis CE, Lin CC, Mariotto AB, Siegel RL, Stein KD, Kramer JL, et al. Cancer treatment and survivorship statistics, 2014. CA: a cancer journal for clinicians. 2014;64(4):252-71.

[3]    Wust P, Hildebrandt B, Sreenivasa G, Rau B, Gellermann J, Riess H, et al. Hyperthermia in combined treatment of cancer. The lancet oncology. 2002;3(8):487-97.

[4]    Van der Zee J. Heating the patient: a promising approach? Annals of oncology. 2002;13(8):1173-84.

[5]    Gilchrist R, Medal R, Shorey WD, Hanselman RC, Parrott JC, Taylor CB. Selective inductive heating of lymph nodes. Annals of surgery. 1957;146(4):596.

[6]    Hergt R, Andra W, d'Ambly CG, Hilger I, Kaiser WA, Richter U, et al. Physical limits of hyperthermia using magnetite fine particles. IEEE Transactions on Magnetics. 1998;34(5):3745-54.

[7]    Moroz P, Jones SK, Winter J, Gray BN. Targeting liver tumors with hyperthermia: ferromagnetic embolization in a rabbit liver tumor model. Journal of surgical oncology. 2001;78(1):22-9.

[8]    Singletary SE, Fornage BD, Sneige N, Ross MI, Simmons R, Giuliano A, et al. Radiofrequency Ablation of Early‐Stage Invasive Breast Tumors: An Overview. The Cancer Journal. 2002;8(2):177-80.

[9]    Lin T-C, Lin F-H, Lin J-C. In vitro feasibility study of the use of a magnetic electrospun chitosan nanofiber composite for hyperthermia treatment of tumor cells. Acta biomaterialia. 2012;8(7):2704-11.

[10]    Mohammad F, Balaji G, Weber A, Uppu RM, Kumar CS. Influence of gold nanoshell on hyperthermia of superparamagnetic iron oxide nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C. 2010;114(45):19194-201.

[11]    Aminfar H, Mohammadpourfard M, Kahnamouei YN. A 3D numerical simulation of mixed convection of a magnetic nanofluid in the presence of non-uniform magnetic field in a vertical tube using two phase mixture model. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2011;323(15):1963-72.

[12]    Halac S, Roemer RB, Oleson JR, Cetas TC. Uniform regional heating of the lower trunk: Numerical evaluation of tumor temperature distributions. International Journal of Radiation Oncology• Biology• Physics. 1983;9(12):1833-40.

[13]    Matloubieh AY, Roemer RB, Cetas TC. Numerical simulation of magnetic induction heating of tumors with ferromagnetic seed implants. IEEE transactions on biomedical engineering. 1984(2):227-34.

[14]    Zhao Q, Wang L, Cheng R, Mao L, Arnold RD, Howerth EW, et al. Magnetic nanoparticle-based hyperthermia for head & neck cancer in mouse models. Theranostics. 2012;2(1):113.

[15]    Pearce J, Giustini A, Stigliano R, Hoopes PJ. Magnetic heating of nanoparticles: The importance of particle clustering to achieve therapeutic temperatures. Journal of nanotechnology in engineering and medicine. 2013;4(1):011005.

[16]    Attaluri A, Kandala SK, Wabler M, Zhou H, Cornejo C, Armour M, et al. Magnetic nanoparticle hyperthermia enhances radiation therapy: A study in mouse models of human prostate cancer. International Journal of Hyperthermia. 2015;31(4):359-74.

[17]    Mcintosh RL, Anderson V. A comprehensive tissue properties database provided for the thermal assessment of a human at rest. Biophysical Reviews and Letters. 2010;5(03):129-51.

[18]    Rylander MN, Feng Y, Zhang Y, Bass J, Stafford RJ, Volgin A, et al. Optimizing heat shock protein expression induced by prostate cancer laser therapy through predictive computational models. Journal of biomedical optics. 2006;11(4):041113.

[19]    Xu L, Zhu L, Holmes K. Thermoregulation in the canine prostate during transurethral microwave hyperthermia, part II: blood flow response. International journal of hyperthermia. 1998;14(1):65-73.

[20]    Johannsen M, Gneveckow U, Thiesen B, Taymoorian K, Cho CH, Waldöfner N, et al. Thermotherapy of prostate cancer using magnetic nanoparticles: feasibility, imaging, and three-dimensional temperature distribution. European urology. 2007;52(6):1653-62.

[21]    Bordelon DE, Cornejo C, Grüttner C, Westphal F, DeWeese TL, Ivkov R. Magnetic nanoparticle heating efficiency reveals magneto-structural differences when characterized with wide ranging and high amplitude alternating magnetic fields. Journal of Applied Physics. 2011;109(12):124904.

[22]    Chang IA, Nguyen UD. Thermal modeling of lesion growth with radiofrequency ablation devices. Biomedical engineering online. 2004;3(1):27.

[23]    Sapareto SA, Dewey WC. Thermal dose determination in cancer therapy. International Journal of Radiation Oncology* Biology* Physics. 1984;10(6):787-800.

[24]    Overgaard J, Bentzen S, Gonzalez DG, Hulshof M, Arcangeli G, Dahl O, et al. Randomised trial of hyperthermia as adjuvant to radiotherapy for recurrent or metastatic malignant melanoma. The Lancet. 1995;345(8949):540-3.