國衛院開發出海扶刀運算模型 可大幅縮短癌症手術時間

國衛院開發出海扶刀運算模型 可大幅縮短癌症手術時間

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馬克沁(中)研究團隊開發HIFU肝腫瘤熱消融治療的術前評估數學運算模型,能對正常組織的破壞減少近10倍,並縮短治療時間。(國衛院提供)

國衛院生醫工程與奈米醫學研究所馬克沁副研究員(Dr. Solovchuk)研究團隊開發HIFU肝腫瘤熱消融治療的術前評估數學運算模型,透過運算後提供的治療參數進行治療,可提高HIFU熱消融的精準度並減少破壞正常組織的機率,能對正常組織的破壞減少近10倍,這項數學模型也讓治療時間從數小時的評估,減少至2至3分鐘即可完成。

癌症盤據國人十大死因之首已40年,各類實體腫瘤常見的治療方法爲外科切除手術,輔以放射線治療或化學藥物治療。近年來,非侵入高能聚焦超音波消融術(high-intensity focused ultrasound ablation HIFU ablation),又稱「海扶刀」,提供了無法承受麻醉開刀手術風險的病患另一種治療選擇,然而仍有長時間手術造成皮膚、肌肉骨骼乃至臟器燒傷的風險。

海扶刀是一種能從體外操作使體內腫瘤組織凝固性壞死的一種熱治療醫學工具,可用於腫瘤病竈的大範圍熱消融,進而達到根除性治療,相當於以無創的方式達到外科手術切除效果,在醫學應用層面相當廣泛。

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然而,爲避免海扶刀造成健康組織的傷害,且在HIFU肝腫瘤消融手術過程中影響治療結果的因素相當多,例如患者皮下脂肪厚度、病竈深度、位置以及大小、以及病竈周邊血管以及鄰近組織的分佈情形等等,對臨牀醫師具有一定程度的挑戰,需要醫師受過特別訓練後才得以施行。

國衛院馬克沁博士研究團隊耦合聲學、熱學、流體動力學三個場域和空化現象,開發新的數學運算模型可精準模擬患者患部,並結合多圖形處理器(Graphics Processing Unit GPU)高效能運算加速分析速度,可以快速提供包含輸出能量、治療時間、治療路徑等臨牀處置建議,幫助醫師訂定手術計劃治療參數進行治療。

這項研究成果分別於2015年和2018年發表於國際期刊《Communications in Computational Physics》與《Computers & Fluids》,在離體和活體動物實驗結果進行驗證比較,模擬實驗與活體動物實驗結果高度相似,而藉助高效能運算,腫瘤消融手術時間可從數小時縮短成數分鐘。

馬克沁表示,海扶刀的新式數學運算模型若能正式運用在臨牀治療中,除了可讓醫師更快速即時的瞭解患者的狀況,提供醫師術前精準的治療參數計劃,在降低周邊組織傷害的同時,也幫助患者更快的復原,未來可能延伸運用在其他實體腫瘤的治療模擬運算上,造福更多的病患,實現個人化的精準醫療。

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