[논문]종양치료용 고주파 열치료 인체적용 시뮬레이션

이강연; 정병균; 김지원; 박정숙; 정병호

doi:10.15207/jkcs.2018.9.3.257

종양치료용 고주파 열치료 인체적용 시뮬레이션
Simulation of the High Frequency Hyperthermia for Tumor Treatment 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.3, 2018년, pp.257 - 263

이강연 (조선이공대 전기과) , 정병균 (서영대학교 임상병리과) , 김지원 (남부대학교 물리치료학과) , 박정숙 (남부대학교 간호학과) , 정병호 (남부대학교 전기공학과)

초록
AI-Helper

고주파 열치료법은 1MHz 이상의 RF 고주파 전류를 전극을 통해 종양조직으로 공급, 가열하여 종양조직의 온도를 $42.0^{\circ}C$이상으로 상승시켜 열괴사시키는 치료법으로 알려져 있다. 인체 내에서 전자기에너지의 흡수와 전달을 위한 수학적으로 모델링과 생물학적인 신체조직의 온도 필드 분포의 해석과 평가를 통해 생체조직을 구성하는 분자들이 진동하면서 서로 마찰되어 열에너지로 전환되는 과정을 분석할 수 있다. 본 논문에서는 3차원 모델의 기하학적 형상의 성인남자 표준모델을 토대로 인체모형을 설정하고, 계산은 유한체적법 코드를 활용하였다. 인체에 전극을 장착하여 외부에서 유도되는 자기장을 모사한 쥴열이 공급되는 것으로 가정하였고 이에 대한 온도분포를 0-1,200초 동안 해석하였다. 시뮬레이션의 결과, 전달된 에너지는 전극의 가장자리로부터 전극의 안쪽으로, 피부 표면으로부터 피하층으로 점진적으로 침투되어 폐종양세포에 전달되어 종양이 열괴사하는 과정을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hyperthermia supplies RF high-frequency energy above 1MHz to the tumor tissue through the electrodes. And the temperature of the tumor tissue is increased to $42^{\circ}C$ or more to cause thermal necrosis. A mathematical model can be derived a human body model for absorption and transmission of electromagnetic energy in the human model and It is possible to evaluate the distribution of temperature fields in biological tissues. In this paper, we build the human model based on the adult standard model of the geometric shape of the 3D model and use the FVM code. It is assumed that Joule heat is supplied to the anatomical model to simulate the magnetic field induced by the external electrode and the temperature distribution was analyzed for 0-1,200 seconds. As a result of the simulation, it was confirmed that the transferred energy progressively penetrates from the edge of the electrode to the pulmonary tumors and from the skin surface to the subcutaneous layer.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 고주파열치료를 적용한 열전달 특성을 시뮬레이션을 위한 모델을 확립하고 시뮬레이션을 수행하였다. 특히, 폐종양의 발생 부위를 설정하고 온도상승에 따른 열전달 특성을 분석하였다.
특히, 폐종양의 발생 부위를 설정하고 온도상승에 따른 열전달 특성을 분석하였다. 분석된 자료를 기반으로 고주파 열치료 열전달 메카니즘을 확립하여 고주파 종양치료를 위한 의료기기의 개발의 기초자료로 활용하고자 한다.

가설 설정

166[W]를 특정 표면에 경계조건으로 부여하여 인가된 전자기파의 에너지가 인체 내부에 전달되도록 시뮬레이션을 수행하였다. 고주파 전극의 가장자리로부터 전극의 안쪽으로, 피부 표면으로부터 피하층으로 점진적으로 침투되는 과정을 해석하였고 여성인 경우 흉곽에 두꺼운 피하층으로 인하여 심부까지 열에너지가 전달되는 과정에서 피하층이 적은 남성보다 많은 시간이 소요되는 것으로 해석되었으며 남성의 계산격자의 부피 매쉬의 크기는 30[mm]로 가정하였다.
인체조직에 고주파전류를 통전시킬 때 진동폭(Oscillation Impulse)이 매우 짧기 때문에 이온운동이 거의 일어나지 않고 전기화학적 반응(Electrochemical Reaction) 또는 전기분해현상(Electrorolytic Reaction)이 없으며 또한 빠른 진동전류 에너지는 그 경로 안에서 열에너지로 변환된다. 열치료를 위한 전기장의 수치해석을 위해서 인체의 단면을 고려하여 간략화하고 인체내부에 종양이 있다고 가정하며 인체 내부에 뼈가 존재하고 원형의 종양이 R 반경을 가진다고 가정하고 피부의 두께는 d와 같으며 몇 가닥의 코일을 통해 전류를 전송하며 각각의 권선의 반경은 r로 표현하며, 권선에 여자된 전류는 정현파형의 전자기 계자를 발생시키고 인체에 와전류를 유기시키는 구조이다[12]. 전달된 전류는 열에너지 발생의 원천이며 과도시간 이후 인체에 온도분포가 성립한다.
인체모형에 전극을 장착하여 외부에서 유도되는 자기장을 모사한 쥴열(Joule Heat)이 공급되는 것으로 가정하였다. 계산 격자수는 표 1 나타냈으며, 반복계산 수는 평균 9,000-10,000번 정도 수행 하였으며, 무차원화 에너지 잔류값이 더 이상 감소하지 않을 때까지 계산을 수행하였다.

제안 방법

계산 격자수는 표 1 나타냈으며, 반복계산 수는 평균 9,000-10,000번 정도 수행 하였으며, 무차원화 에너지 잔류값이 더 이상 감소하지 않을 때까지 계산을 수행하였다. 격자생성은 격자가 완만하게 구성 되도록 하였으며, 특히 벽면에서의 계산격자는 Boundary layer 격자를 사용하였으며 y⁺ = 70 이내가 되도록 구성하였다.
또한, 인체 모형의 열유동 해석은 고주파발생장치에서 발생된 열이 전극을 통해 인체에 조사되는 전자기장을 Heat flux로 환산하여 장기 표면에 열 경계조건을 부여하여 계산을 수행하였다. 경계조건은 벽 경계조건, 단열조건 등으로 구성 되었고, xyz 직각좌표계를 사용하였다. 시뮬레이션의 결과를 통한 온도분포를 0-1,200초 동안 해석한 결과로 [Fig.
모든 고체 벽면은 Power-law법칙을 적용하였으며, 시간에 따른 인체 모형의 피부와 내부 장기의 온도 분포 및 변화를 계산하기 위하여 비정상 상태로 설정하여 1,200초 동안에 걸쳐 계산하였다. 또한, 인체 모형의 열유동 해석은 고주파발생장치에서 발생된 열이 전극을 통해 인체에 조사되는 전자기장을 Heat flux로 환산하여 장기 표면에 열 경계조건을 부여하여 계산을 수행하였다. 경계조건은 벽 경계조건, 단열조건 등으로 구성 되었고, xyz 직각좌표계를 사용하였다.
고주파열치료방식을 적용한 인체 열전달과정을 규명하기 위해 설계된 인체모형에 전자기장의 주파수에 기인한 발열과정을 정의하였다. 또한, 인체내부에 발생한 특정위치의 종양에 열에너지를 전송하고 전달된 열에너지가 쥴열로 변환되어 열치료과정을 수학적으로 모델링을 수행하는 시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 관찰하였다. 입체적 관찰에서 보듯이 20[min]이상 지날 때 목표온도인 42[℃]에 도달하는 것을 관찰할 수 있다.
3차원 모델의 기하학적 형상 및 치수는 남성은 키 175[cm], 몸무게 75[kg]인 성인남자 표준모델을 토대로, 여성은 키 165[cm], 몸무게 55[kg]인 모형을 사용하였으며 계산은 유한체적법(FVM) 상용코드인 Fluent를 이용하였다. 또한, 인체에 열치료방법을 적용한 온도장을 해석하기 위하여 3차원 형상의 남성과 내부 장기 폐를 포함한 모델을 수립하였다.
시뮬레이션을 위해 고주파발생장치로부터 인체 특정 부위에 조사되는 시간은 보통 20분에 대략 41[KJ]의 열이 가해지며 이를 환산하여 표면에 34.166[W]를 특정 표면에 경계조건으로 부여하여 인가된 전자기파의 에너지가 인체 내부에 전달되도록 시뮬레이션을 수행하였다. 고주파 전극의 가장자리로부터 전극의 안쪽으로, 피부 표면으로부터 피하층으로 점진적으로 침투되는 과정을 해석하였고 여성인 경우 흉곽에 두꺼운 피하층으로 인하여 심부까지 열에너지가 전달되는 과정에서 피하층이 적은 남성보다 많은 시간이 소요되는 것으로 해석되었으며 남성의 계산격자의 부피 매쉬의 크기는 30[mm]로 가정하였다.
일반적으로 가열효과가 나타나는 온도 범위가 39〜41°C 사이에서는 정상조직과 종양세포분열 및 성장이 촉진되는 것으로 알려져 있으므로 가열에 의한 치사 효과는 주로 42〜45℃ 사이에서 발생된다는 점을 고려하여 체외에서 가열되는 온도값을 구현하여 체내로 열전달하는 메카니즘으로 모델의 생성과 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 고주파열치료를 적용한 열전달 특성을 시뮬레이션을 위한 모델을 확립하고 시뮬레이션을 수행하였다. 특히, 폐종양의 발생 부위를 설정하고 온도상승에 따른 열전달 특성을 분석하였다. 분석된 자료를 기반으로 고주파 열치료 열전달 메카니즘을 확립하여 고주파 종양치료를 위한 의료기기의 개발의 기초자료로 활용하고자 한다.

대상 데이터

종양세포치사효과는 온도영역에 따라 크게 다르며 치사 효과를 나타내는 처리시간과 생존율곡선의 상관관계는 온도가 43℃ 근처를 넘으면 급속히 증가한다는 배경에 따른 것이다. 인체에 열치료방법을 적용한 열온도장을 해석하기 위하여 3차원 형상의 남성과 여성 모델을 Fig. 3과 같이 설정하였다. 3차원 모델의 기하학적 형상 및 치수는 남성은 키 175[cm], 몸무게 75[kg]인 성인남자 표준모델을 토대로, 여성은 키 165[cm], 몸무게 55[kg]인 모형을 사용하였으며 계산은 유한체적법(FVM) 상용코드인 Fluent를 이용하였다.

이론/모형

3과 같이 설정하였다. 3차원 모델의 기하학적 형상 및 치수는 남성은 키 175[cm], 몸무게 75[kg]인 성인남자 표준모델을 토대로, 여성은 키 165[cm], 몸무게 55[kg]인 모형을 사용하였으며 계산은 유한체적법(FVM) 상용코드인 Fluent를 이용하였다. 또한, 인체에 열치료방법을 적용한 온도장을 해석하기 위하여 3차원 형상의 남성과 내부 장기 폐를 포함한 모델을 수립하였다.
모든 고체 벽면은 Power-law법칙을 적용하였으며, 시간에 따른 인체 모형의 피부와 내부 장기의 온도 분포 및 변화를 계산하기 위하여 비정상 상태로 설정하여 1,200초 동안에 걸쳐 계산하였다. 또한, 인체 모형의 열유동 해석은 고주파발생장치에서 발생된 열이 전극을 통해 인체에 조사되는 전자기장을 Heat flux로 환산하여 장기 표면에 열 경계조건을 부여하여 계산을 수행하였다.

후속연구

고주파열치료 의료기구를 개발하기 위한 열전달 메카니즘을 해석하는 과정이 필요하며 이를 기반으로 한 토폴로지의 적용과 인체내부 온도상태 모니터링 기술의 확립이 추가적으로 연구되어 의료기기로서의 성능안정화를 확보 할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고주파 열치료는 무엇인가?	고주파열치료방식(Hyperthermia)은 종양세포가 가지는 낮은 유전율 특성으로 인해 정상세포보다 높은 열흡수율을 가지는 원리를 이용하며, 고주파 열치료 시에 정상세포보다 먼저 종양세포에서 열괴사가 발생한다[1,2]. 고주파 열치료 메카니즘은 1[MHz]이상의 고주파 에너지를 침습 및 비침습방식의 전극을 통하여 종양조직으로 공급 및 에너지전송이 이루어지며, 고주파전기를 생체조직에 인가함으로서 세포내의 이온이 음극과 양극사이에서 교류동작하면서 자체적으로 물분자의 마찰열을 일으켜 세포가 전자파흡수에 의한 종양조직의 온도를 42.0℃ 이상으로 상승시켜 종양세포를 열괴사(thermal necrosis)시키는 치료방법이다[3,4]. 이러한 열치료방식은 광범위한 영역에 적용될 수 있으며 목, 사지, 흉부, 뇌, 복부 등의 피상적인 종양에 치료가 가능하다[5].
	고주파 열치의 치료범위는 어떠한가?	0℃ 이상으로 상승시켜 종양세포를 열괴사(thermal necrosis)시키는 치료방법이다[3,4]. 이러한 열치료방식은 광범위한 영역에 적용될 수 있으며 목, 사지, 흉부, 뇌, 복부 등의 피상적인 종양에 치료가 가능하다[5].
	고주파열치료방식은 어떤 원리를 이용하는가?	고주파열치료방식(Hyperthermia)은 종양세포가 가지는 낮은 유전율 특성으로 인해 정상세포보다 높은 열흡수율을 가지는 원리를 이용하며, 고주파 열치료 시에 정상세포보다 먼저 종양세포에서 열괴사가 발생한다[1,2]. 고주파 열치료 메카니즘은 1[MHz]이상의 고주파 에너지를 침습 및 비침습방식의 전극을 통하여 종양조직으로 공급 및 에너지전송이 이루어지며, 고주파전기를 생체조직에 인가함으로서 세포내의 이온이 음극과 양극사이에서 교류동작하면서 자체적으로 물분자의 마찰열을 일으켜 세포가 전자파흡수에 의한 종양조직의 온도를 42.

참고문헌 (15)

P. GAS. (2010). Temperature inside tumor as time function in RF hyperthermia. PRZEGLAD ELEKTROTECHNICZNY, .42-45, .
A. Lakhssassi, E. Kengne, H. Semmaoui. (2010). Modifed pennes equation modelling bio-heat transfer in living tissues: analytical and numerical analysis. Natural Science, 2(12), 1375-1385.

상세보기
K. Kuroda & N. Tsuda. (1996). An inverse method to optimize heating conditions in RF-capacitive hyperthermia. IEEE Trans. Biomed. Eng., 43, 1029-1037.

상세보기
R. B. Roemer. (1991). Optimal power deposition in hyperthermia I. The treatment goal: the ideal temperature distribution: the role of large blood vessels. Int. J. Hyperthermia, 7, 317-341.

상세보기
D. M. Sullivan. (1990). Three dimensional computer simulation in deep regional hyperthermia using the finite-difference time-domain method. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 38, 204-211.

상세보기
J. Cooper & S. McKeever. (2008). A model-driven approach to automatic conversion of physical units. Software-Practice and Experience, 38(4), 337-359.

상세보기
D. Kohn & N. Le Novere. (2008). SED-ML An XML Format for the Implementation of the MIASE Guidelines. in Proc. 6th Int. Conf. Computational Methods in Systems Biology, Rostock, Germany, LNBI 5307, 176-190.
J. Cooper. (2009). Automatic Validation and Optimization of Biological Models, University of Oxford, Oxford, UK.
G. F. Baronzio & E. D. Hage. (2006) Hyperthermia in Cancer Treatment: A Primer. : Springer
H. H. Pennes. (1998). Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm. J. Appl Physiol, 85, 5-34.

상세보기
M. Raoof, B. T. Cisneros, S. J. Corr, F.. Palalon, S. A. Curley & N. V. Koshkina. (2013). Tumor Selective Hyperthermia Induced by Short-Wave Capacitively-Coupled RF Electric-Fields. PLoS ONE.
B. Fernando B. A. Antonello, & A. L. Giorgio. (1995). SAR Optimization in a Phased Array Radiofrequency Hyperthermia System. IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, 42(12), 1201-1207.

상세보기
A. Marwaha, S. Maini & S. Marwaha. (2009). Microwave Interstitial Tumor Ablation: New Modality for Treatment of Liver Cancer. Proceedings of the COMSOL Conference 2009 Bangalore.
B. G. Jung, J. W. Kim & B. H. Jeong. (2017). A Study of Structural Analysis Simulation for Squat Exercise Foot Plate. Journal of the Korea Convergence Society, 8(9), 365-372.
L. Ferras, N. Ford, M. Morgado, M. S. Rebelo & J. M. Nobrega. (2015). Fractional Pennes bioheat equation: Theoretical and numerical studies. Fractional Calculus and Applied Analysis -Fract. Calc. Appl. Anal, 1080-1106.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증