臨床集中的な超音波機能性神経外科の数値シミュレーション

グリッドと有限差分法を利用した計算モデルが開発され、集中的な超音波官能的な神経外科的介入をシミュレートしました。このモデルは、流体（軟部組織）と固体（頭蓋骨）の超音波の伝播と音響弾性波方程式と粘弾性波方程式を結びつけます。計算モデルを適用して、治療抵抗性慢性神経障害性疼痛に苦しむ患者で行われた臨床集中的な超音波機能性神経外科治療をシミュレートしました。5人の患者のデータセットを使用して、治療ジオメトリを導き出しました。治療で行われた8つの超音波検査は、開発されたモデルでシミュレートされました。計算は、治療で使用されている音響パラメーターを使用してシミュレートされたフェーズアレイ超音波トランスデューサーを駆動することによって実行されました。シミュレートされた圧力と温度場の定性的検査に加えて、生じる焦点温度と熱焦点のサイズを定量的に比較しました。この研究では、計算モデルとシミュレーションパラメーターが、治療で観察されるよりも平均24±13％の焦点温度上昇を予測することがわかりました。シミュレートされた熱焦点のサイズは、前後方向では40±13％小さく、治療よりも下方向方向で22±14％小さくなることがわかりました。シミュレートされた熱焦点の位置は、処方されたターゲットから0.3±0.1 mmのオフでしたが、測定で観察されたピーク焦点温度上昇は1.6±0.6 mmでした。シミュレーションの結果は、使用された組織パラメーターのいずれか、またはシミュレーション方法のいずれかに不正確さがある可能性があることを示唆していますが、シミュレーションは、たとえば超音波処理の実現可能性を評価するために実行された初期治療計画のために焦点スポットの位置と温度上昇を適切に予測することができました。より正確な超音波組織特性（特に頭蓋骨の骨）が得られる場合、シミュレーションの精度を改善することができます。

A computational model utilizing grid and finite difference methods were developed to simulate focused ultrasound functional neurosurgery interventions. The model couples the propagation of ultrasound in fluids (soft tissues) and solids (skull) with acoustic and visco-elastic wave equations. The computational model was applied to simulate clinical focused ultrasound functional neurosurgery treatments performed in patients suffering from therapy resistant chronic neuropathic pain. Datasets of five patients were used to derive the treatment geometry. Eight sonications performed in the treatments were then simulated with the developed model. Computations were performed by driving the simulated phased array ultrasound transducer with the acoustic parameters used in the treatments. Resulting focal temperatures and size of the thermal foci were compared quantitatively, in addition to qualitative inspection of the simulated pressure and temperature fields. This study found that the computational model and the simulation parameters predicted an average of 24 ± 13% lower focal temperature elevations than observed in the treatments. The size of the simulated thermal focus was found to be 40 ± 13% smaller in the anterior-posterior direction and 22 ± 14% smaller in the inferior-superior direction than in the treatments. The location of the simulated thermal focus was off from the prescribed target by 0.3 ± 0.1 mm, while the peak focal temperature elevation observed in the measurements was off by 1.6 ± 0.6 mm. Although the results of the simulations suggest that there could be some inaccuracies in either the tissue parameters used, or in the simulation methods, the simulations were able to predict the focal spot locations and temperature elevations adequately for initial treatment planning performed to assess, for example, the feasibility of sonication. The accuracy of the simulations could be improved if more precise ultrasound tissue properties (especially of the skull bone) could be obtained.