정상 세포로부터 암과 같은 종양세포를 제거하는 방법으로 라디오주파수의 전자파를 이용하여 세포가 사멸되는 임계온도보다 높은 온도로 국소 가열하는 발열 치료법이 임상에서 시술되고 있다. 그러나 이 기술은 임상에서 활발히 사용되기에는 여러 가지 제약 요인이 존재한다. 본 연구에서는 교류파 대신에 미소 직류전원을 사용하여 국소부위에 열을 발생하는 안전성이 증가된 방법의 실효성을 이론적으로 입증하고자 한다. 종양세포의 형태에 따라 적당한 모양의 전극을 종양조직에 삽입하고 종양조직의 형태와 유사한 열분포를 갖도록 제어하는 기술을 개발한다. 열원은 조직 내에 삽입된 전극과 매질에 형성되는 전기장에 의한 저항열이다. 종양 조직 내에 삽입된 전극에 10 V, 20 V, 30 V를 각각 인가하고 시간에 따른 열분포를 전산모의 하였다. 결과적으로, 20 V를 전극에 인가하면 1~2 분 이내에 버섯모양의 등온도 분포를 갖으며 세포를 고사시키는 온도 이상의 치료영역이 형성됨을 보였다. 4개의 전극에 대칭적인 전위를 인가하고 $50^{\circ}C$ 이상의 온도 분포를 암 조직의 모양과 유사하게 분포하도록 조절하여 효과적인 치료를 수행 할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다.
정상 세포로부터 암과 같은 종양세포를 제거하는 방법으로 라디오주파수의 전자파를 이용하여 세포가 사멸되는 임계온도보다 높은 온도로 국소 가열하는 발열 치료법이 임상에서 시술되고 있다. 그러나 이 기술은 임상에서 활발히 사용되기에는 여러 가지 제약 요인이 존재한다. 본 연구에서는 교류파 대신에 미소 직류전원을 사용하여 국소부위에 열을 발생하는 안전성이 증가된 방법의 실효성을 이론적으로 입증하고자 한다. 종양세포의 형태에 따라 적당한 모양의 전극을 종양조직에 삽입하고 종양조직의 형태와 유사한 열분포를 갖도록 제어하는 기술을 개발한다. 열원은 조직 내에 삽입된 전극과 매질에 형성되는 전기장에 의한 저항열이다. 종양 조직 내에 삽입된 전극에 10 V, 20 V, 30 V를 각각 인가하고 시간에 따른 열분포를 전산모의 하였다. 결과적으로, 20 V를 전극에 인가하면 1~2 분 이내에 버섯모양의 등온도 분포를 갖으며 세포를 고사시키는 온도 이상의 치료영역이 형성됨을 보였다. 4개의 전극에 대칭적인 전위를 인가하고 $50^{\circ}C$ 이상의 온도 분포를 암 조직의 모양과 유사하게 분포하도록 조절하여 효과적인 치료를 수행 할 수 있는 가능성을 제시하고자 한다.
As a technique for removing cancerous tumors from normal tissue, radio-frequency electromagnetic waves were employed to heating target cells up to the critical temperature, which kills the cancerous cells. However, its use in treating tumors in soft organs is limited by inconvenient factors, which a...
As a technique for removing cancerous tumors from normal tissue, radio-frequency electromagnetic waves were employed to heating target cells up to the critical temperature, which kills the cancerous cells. However, its use in treating tumors in soft organs is limited by inconvenient factors, which are use of high-currents and long time operation. In this work, the feasibility of the localized heating by inserting four conducting electrodes with tiny direct current is investigated. The heat source is resulting from the electric field as known as resistive heating. We have investigated the temperature distribution as a function of applying DC voltages ranging from 10 V to 30 V with 10 V step. From the simulation results, the mushroom-like lesion shape by applying 20 V is generated by four electrodes within a few minutes, that is proper to the clinical application.
As a technique for removing cancerous tumors from normal tissue, radio-frequency electromagnetic waves were employed to heating target cells up to the critical temperature, which kills the cancerous cells. However, its use in treating tumors in soft organs is limited by inconvenient factors, which are use of high-currents and long time operation. In this work, the feasibility of the localized heating by inserting four conducting electrodes with tiny direct current is investigated. The heat source is resulting from the electric field as known as resistive heating. We have investigated the temperature distribution as a function of applying DC voltages ranging from 10 V to 30 V with 10 V step. From the simulation results, the mushroom-like lesion shape by applying 20 V is generated by four electrodes within a few minutes, that is proper to the clinical application.
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문제 정의
국소온열치료법은 주로 간치료에 많이 사용되고 있으나 치료하고자 하는 조직의 전기적 및 열적 특성에 따라 적용이 제한될 수 있다 [1]. 본 연구는 발열의 방법으로 전자파 대신 미소 직류전류를 이용하여 안전성이 향상된 치료기술을 확립하고자 한다.
이러한 위험요인을 제거하기 위해, 본 연구에서는 종양조직 부위에 아주 얇은 (∼10 um) 전극을 삽입하고 매우 미세한 직류 전류를 흘려 45℃에서 50℃ 이상의 열을 생성하게 함으로 종양세포의 생존환경을 파괴하여 암세포가 스스로 괴사하게 만드는 방법이다.
전기장에 의해 발생되는 열의 근원은 저항열 또는 Joule 열로 해석할 수 있다. 일정한 직류전압이 인가되었을 때의 온도 상승효과와 온도 분포에 관한 시뮬레이션 결과를 보고하고자 한다.
1의 모델에서 일정전압을 가하는 순간 전류가 흐르기 시작하고 온도가 상승하게 된다. 조직 내에서 온도의 변화를 시간적으로 변화하는 양상을 이론적으로 고찰하고자 한다. 조직내에 삽입된 전극에 의해 형성된 전기장의 모양에 따라 전류의 방향과 크기가 결정된다.
제안 방법
6은 전극을 중심으로 대칭적인 온도 분포를 보여주고 있으며, 최고 온도는 전극의 끝 부분에 해당된다. 20V 전압을 인가하고 초기(0초)에서부터 600초 동안 시간의 함수로 온도 분포를 그래프화하였다. 치료 온도에 해당하는 50℃는 y-축상에 ∓20 mm 미만이며, 이 영역의 외부에서는 온도의 변화가 상대적으로 적어서 정상조직에 영향을 주지 않는다.
(2)와 (4)에 사용된 변수들의 매질 내에서의 전기적 열적 특성을 Table 1에 기술하였다. 경계조건으로 실린더의 밖의 전위를 영(0 V)으로 설정하고, 전극은 10 V, 20 V, 그리고 30 V를 각각 적용하고, 나머지 경계조건은 연속으로 설정 하였다. 전도 매질에서의 직류적용 모드의 경계 조건을 다음 Eq.
오른쪽 항의 ρb는 혈액의 밀도(kg/m3); Cb 는 혈액의 비열(J/(kg·K)); ωb는 혈액의 박동수(1/s); Tb는 동맥 혈액온도(℃); Qmet와 Qext는 신진대사에 의한 온도와 외부 열원을 표기한다. 본 연구에서는 앞에서 언급한 두 가지 열원은 존재하지 않는 경우이며 혈액의 영향을 고려하지 않은 간단한 모델을 사용하였다. 위와 같은 단순한 환경에서 Eq.
종양세포를 제거하는 방법으로 세포가 사멸되는 임계온도 보다 높은 열을 국소적으로 가하는 발열요법을 위해 전도성질을 갖는 4개의 전기 탐침을 종양조직에 삽입하여 직류전압을 인가했을 때 열의 분포를 전산모의하였다. 생체 내에서 전극에 의해 형성되는 전기장에 대한 방정식 해석과 조직 내에서의 직류전류에 의해 발생되는 온도 분포를 모델링하는 bioheat 방정식의 수치해석을 통해 전극전압에 따른 열분포를 전산모의하였다. 10 V를 전극에 적용하는 경우에는 최고 온도가 50℃ 미만으로 치료에 적용될 수 없었으며, 30 V의 경우에는 열의 증가 속도가 너무 빨라 제어하기가 어려울 것으로 판단된다.
온도에 대한 경계조건으로 실린더 벽의 외부를 온도 37℃로 설정하였고, 나머지 경계조건은 열유량 연속으로 설정하였다. 또한 초기의 모든 온도를 37℃로 설정하였다.
종양세포를 제거하는 방법으로 세포가 사멸되는 임계온도 보다 높은 열을 국소적으로 가하는 발열요법을 위해 전도성질을 갖는 4개의 전기 탐침을 종양조직에 삽입하여 직류전압을 인가했을 때 열의 분포를 전산모의하였다. 생체 내에서 전극에 의해 형성되는 전기장에 대한 방정식 해석과 조직 내에서의 직류전류에 의해 발생되는 온도 분포를 모델링하는 bioheat 방정식의 수치해석을 통해 전극전압에 따른 열분포를 전산모의하였다.
성능/효과
탐침은 실린더의 중심선을 따라서 이동하고, 전극은 종양이 존재하는 영역에 위치하게 하였다. 계산에 사용한 온도는 모두 섭씨온도로 동일하게 유지하였고, 계산 결과도 섭씨온도의 시간 변화를 시각화하였다.
후속연구
20 V를 전극에 인가 하는 경우 60초 이내에 80℃까지 급속히 증가 된 후, 서서히 90℃까지 도달하는 열상승 곡선을 얻었다. 4개의 전극에 20 V 전압을 대칭적으로 인가하고 50℃ 이상의 온도 분포를 암 조직의 모양과 유사하게 분포하게 하여 수 분 이내에 효과적인 치료가 가능케 될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발열요법은 어떤 치료법인가?
직류전류를 이용하여 높은 열을 발생시킴으로 탈수 또는 화학작용을 일으켜 암세포를 괴사 시키는 치료법이 발열요법(hyperthermia)이다 [1]. 주로 열을 발생시키는 방법으로는 라디오 주파수 가열 [2], 마이크로파 가열, 초음파 가열 등이 있다.
열원은 무엇인가?
종양세포의 형태에 따라 적당한 모양의 전극을 종양조직에 삽입하고 종양조직의 형태와 유사한 열분포를 갖도록 제어하는 기술을 개발한다. 열원은 조직 내에 삽입된 전극과 매질에 형성되는 전기장에 의한 저항열이다. 종양 조직 내에 삽입된 전극에 10 V, 20 V, 30 V를 각각 인가하고 시간에 따른 열분포를 전산모의 하였다.
라디오 주파수 가열 방법의 단점은?
치료에 주로 사용되는 라디오주파수는 보통 300 MHz 이하이며 1000 mA 이상의 고전류를 사용한다. 이 방법은 치료영역에 주입되는 고전류가 조직 내에서 100℃ 이상의 고온을 유지하며 10분에서 15분 정도 장시간 시술하는 위험성이 있다. 이러한 위험요인을 제거하기 위해, 본 연구에서는 종양조직 부위에 아주 얇은 (∼10 um) 전극을 삽입하고 매우 미세한 직류 전류를 흘려 45℃에서 50℃ 이상의 열을 생성하게 함으로 종양세포의 생존환경을 파괴하여 암세포가 스스로 괴사하게 만드는 방법이다.
참고문헌 (5)
S. Tungjitkusolmun, S. T. Staelin, D. Haemmerich, J. Z. Tsai, H. Cao, J. G. Webster, F. T. Lee, Jr. D. M. Mahvi, and V. R. Vorperian, IEEE Trans. Bio. Eng. 4, 3 (2002).
I. Chang, BioMedical Engineering OnLine 2, 1-18 (2003).
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