Компьютеризованное средство имитационного моделирования для предоставления помощи в планировании термотерапии

Компьютеризованное средство имитационного моделирования для предоставления помощи в планировании термотерапии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к компьютеризованному средству имитационного моделирования для предоставления помощи в планировании термотерапии, и, конкретнее, к способу компьютеризованного имитационного моделирования для предоставления помощи в планировании термотерапии и к вычислительным устройствам соответствующей конструкции.

Уровень техники

В работе Gneveckow et al., “Description and characterization of the novel hyperthermia- and thermoablation-system MFH^® 300F for clinical magnetic fluid hyperthermia”, Med. Phys. 31(6), June 2004, 1444 и последующие описано, наряду с прочим, метрологическое определение характеристических кривых, которые показывают взаимосвязь между значениями напряженности магнитного поля (“значения напряженности поля H” в килоамперах на метр, кА/м) и коэффициентами поглощения энергии, основанными на массе железа SAR_fe (“удельный коэффициент поглощения железа”, в ваттах на грамм, В/г) для конкретных магнитных жидкостей. Дополнительные аспекты гипертермической обработки, основанной на магнитных жидкостях, описаны в (аннотация; стр.1445-1446, раздел “II. Methods”; стр.1447, раздел “IIIB. Power Absorption” в связи с фиг.5; стр.1448, раздел “IIID. Thermal distribution in the quasi-steady state”; стр.1449-1450, раздел “IV. Discussion”).

В работе Wust et al., “Magnetic nanoparticles for interstitial thermotherapy - feasibility, tolerance and achieved temperatures”, Int. J. Hyperthermia, December 2006, 22(8), 673-685 описывается концепция гипертермической обработки, основанной на магнитных жидкостях. Магнитная жидкость содержит наночастицы оксида железа, диспергированные в воде. Магнитная жидкость должна быть распределена в опухоли и затем нагрета путем приложения переменного магнитного поля посредством аппликатора. Анализируются полученные в результате распределения температур. Получаемые в результате значения для удельного коэффициента поглощения в ткани (SAR) устанавливаются по распределению частиц, определенному посредством компьютерной томографии (CT), в комбинации с конкретными значениями напряженности поля H в кА/м. Распределение температур в области опухоли рассчитывается численно с помощью уравнения переноса биотепла (далее BHTE). Вычисленное распределение температур сопоставляется с непосредственно измеренными значениями температур в контрольных точках в целевой области или вблизи нее посредством соответствующим образом выбранной средней скорости перфузии. (Аннотация; стр.675, раздел “Magnetic fluid”; стр.677, раздел “Post-implantation analysis (PIA) and Thermotherapy”).

В работе Maier-Hauff et al., “Efficacy and safety of intra-tumoral thermotherapy using magnetic iron-oxide nano-particles combined with external beam radiotherapy on patients with recurrent glioblastoma multiforme”, J. Neurooncol. DOI 10/2007/s11060-010-0389-0, опубликованной онлайн 16 сентября 2010, описываются способы внутриопухолевой терапии с использованием магнитных наночастиц. Плотность наночастиц после введения устанавливается посредством методов CT. На основании распределения плотности наночастиц их SAR и оцененной скорости перфузии в области опухоли выделение тепла в пределах целевой ткани определяется как функция напряженности магнитного поля с помощью BHTE. Напряженность магнитного поля (далее также называемая “напряженность поля H” или просто “напряженность поля”) должна выбираться таким образом, чтобы температура в 43°C не была превышена за пределами границы размером 2 см вокруг опухоли. Во время обработок проводились прямые измерения температуры в заранее размещенном термометрическом катетере. Это позволяет контролировать соблюдение предельной температуры (аннотация; стр.3, фиг.1, и левый столбец и правый столбец, 1-й абзац).

В работе Nadobny et al., “Evaluation of MR-Induced Hot Spots for Different Temporal SAR Modes Using a Time-Dependent Finite Difference Method With Explicit Temperature Gradient Treatment”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.54, № 10, October 2007, страница 1837 и последующие описывается численное решение нелинейного BHTE во временной области, которое содержит зависимую от температуры перфузию, и это принимается в качестве основы для выполнения численного имитационного моделирования для распределения температур в организме человека (аннотация; страница 1837, раздел “I. Introduction”; стр.1838, раздел “II. Time-Dependent BHTE”; стр.1840-1841, раздел IIIC: Thermal Simulation Procedures”; стр.1845-1846, разделы “V. Discussion”, “VI. Conclusion”). Помимо прочего, в работе Nadobny et al. описывается метод (названный “способ разложения”), в соответствии с которым BHTE решается численно путем применения метода конечных разностей (FD) для разделения распределения температур на базовую и зависимую от SAR часть (стр.1841, левая колонка, формулы 5a, 5b и 6).

Общая иллюстрация изобретения

Целью настоящего изобретения является предложение средства для подготовки термотерапии, которое предоставляет врачу или другим медицинским работникам всесторонний обзор различных вариантов терапии в целях способствования принятию решения в пользу конкретного варианта.

Данная цель достигается посредством изобретенного компьютеризованного средства имитационного моделирования для предоставления помощи в планировании термотерапии, и, конкретнее, посредством способа компьютеризованного имитационного моделирования для предоставления помощи в планировании термотерапии и вычислительных устройств соответствующей конструкции.

В изобретении предлагается способ компьютеризованного имитационного моделирования для предоставления помощи в планировании термотерапии. Термотерапия включает в себя (локальную/местную) гипертермическую обработку объема опухоли в объеме тела человеческого организма. Гипертермическая обработка включает в себя приложение магнитного поля в обрабатываемом объеме посредством аппликатора магнитного поля. В данном случае тепловая энергия может быть внесена по меньшей мере в один “объем размещения”, то есть в объем, который содержит наночастицы, посредством поглощения энергии в приложенном магнитном поле - посредством магнитных, парамагнитных и/или суперпарамагнитных наночастиц, предварительно помещенных в тело.

Соответственно, гипертермическая обработка в контексте настоящего изобретения используется в общем случае для обозначения терапии посредством повышения температуры. В случае сравнительно небольших повышений температуры вплоть до приблизительно 45°C это приводит к повышению эффективности химиотерапии и/или радиотерапии, гипертермии в узком смысле (Hildebrandt, B., et al. (2002). “The cellular and molecular basis of hyperthermia.” Critical Reviews in Oncology Hematology 43(1): 33-56). В случае повышения температуры до более чем 45°C клетки (опухоли) отмирают непосредственно, что называется термоабляцией (Jordan, A., et al. (2006)). “The effect of thermotherapy using magnetic nanoparticles on rat malignant glioma.” J Neurooncol. 78(1): 7-14. Epub 2005 Nov 29).

Желательно, чтобы объем размещения или объемы размещения были расположены полностью или, по меньшей мере, частично внутри обрабатываемого объема, предпочтительно, объема опухоли. Это должно было быть обеспечено посредством предшествующей инстилляции наночастиц. Объем опухоли или объемы опухолей должны быть расположены полностью или частично в обрабатываемом объеме, в соответствии с целью терапии. Следовательно, обрабатываемый объем представляет собой объем, который предназначен в качестве основного для нагрева посредством гипертермии. Может ли быть эта цель достигнута и до какой степени, предсказывается посредством способа имитационного моделирования по изобретению.

Способ по изобретению рассматривается как способ имитационного моделирования для предоставления помощи в планировании и, необязательно, управлении термотерапией, поскольку он моделирует распределения температур в теле, которые возникают во время обработки аппликатором магнитного поля, без реального выполнения такой обработки. Таким образом, в способе не требуется калибровки, например, с помощью измеренных значений, которые измеряются для выполняемой в текущий момент обработки. Результаты, которые выдаются средством имитационного моделирования по изобретению, могут быть использованы для того, чтобы сделать выводы о параметрах обработки для последующей реальной обработки, например, в отношении значения напряженности поля или значения напряженности поля H, которое должно быть выбрано.

Пользователем способа или средства имитационного моделирования может быть врач, например, рентгенолог или радиотерапевт, персонал с технической и/или медицинской подготовкой, который был подготовлен для использования аппликатора магнитного поля, или другие пользователи.

Наночастицы обычно могут представлять собой частицы, которые некоторым образом взаимодействуют с магнитным полем, в результате чего (после инстилляции частиц в тело) происходит нагрев ткани. В качестве примера они могут представлять собой магнитные, парамагнитные или суперпарамагнитные наночастицы, например, наночастицы оксида железа с покрытием или без покрытия. Частицы могут иметь любые пространственные формы и могут быть, например, по меньшей мере по существу, сферическими, сфероидальными, эллипсоидальными, призмоидальными или иметь форму параллелепипеда. Хотя здесь частицы называются 'наночастицами', предполагается, что данный термин покрывает не только частицы, имеющие размеры (например, наименьший или наибольший радиус или диаметр) в нанометровом диапазоне, но также частицы, имеющие другие размеры, например, частицы, имеющие размеры в микронном диапазоне. Предпочтение отдается наночастицам оксида железа, имеющим диаметр (определенный с использованием электронного микроскопа), составляющий вплоть до 100 нм.

Способ имитационного моделирования по изобретению включает в себя следующие этапы: на первом этапе вычислений, также называемом “выбор T” (“T” обозначает температуру), проводится вычисление значения напряженности поля или значения напряженности поля H, которое должно быть установлено на аппликаторе на основании геометрического распределения наночастиц и по меньшей мере одного предписанного предельного значения температуры, которое не должно превышаться при гипертермической обработке; на необязательном втором этапе вычислений, также называемом “H-регулятор” (“H” обозначает напряженность магнитного поля) или “быстрый H-регулятор”, в зависимости от варианта осуществления, выполняется вычисление (результирующего) распределения температур, которое должно ожидаться по меньшей мере для части объема тела для каждого значения напряженности поля H из множества предписанных значений напряженности поля H, и/или для заданного пользователем значения напряженности поля H, и, предпочтительно, на необязательном третьем этапе вычислений (“выбор H”), проводится автоматическое вычисление распределения температур, которое должно ожидаться для максимального допустимого значения напряженности поля H, когда значение напряженности поля H, вычисленное на первом этапе вычислений, превышает данное максимально допустимое значение напряженности поля H; и выдача (пользователю) вычисленного значения напряженности поля H, которое должно быть установлено на аппликаторе, и, необязательно, по меньшей мере одного вычисленного результирующего распределения температур, например, ассоциированного с указанным ранее значением напряженности поля H, с целью предоставления помощи пользователю в планировании термотерапии.

В отдельных вариантах способа имитационного моделирования по изобретению предписанное предельное значение температуры или одно из множества предписанных предельных значений температуры относится к максимальной температуре или максимуму температуры только в пределах обрабатываемого объема, который предназначен для нагревания. В качестве примера, предписанное предельное значение температуры может относиться к максимуму температуры в диапазоне от 60°C до 100°C, предпочтительно, от 70°C до 90°C, в частности, 80°C, в обрабатываемом объеме.

В дополнение или в качестве альтернативы, предписанное предельное значение температуры или одно из множества предписанных предельных значений температуры может относиться к максимуму температуры вне обрабатываемого объема, который предназначен для нагревания. В качестве примера, предписанное предельное значение температуры может относиться к максимуму температуры в диапазоне от 40°C до 45°C, в частности 43°C, вне обрабатываемого объема.

В некоторых вариантах осуществления способа имитационного моделирования по изобретению два предписанных предельных значения температуры, каждое из которых относится к различным объемам, используются на первом этапе вычислений. В качестве примера, одно предписанное предельное значение температуры в пределах обрабатываемого объема может относиться к максимуму температуры, составляющему 80°C, и другое предписанное предельное значение температуры вне обрабатываемого объема может относиться к максимуму температуры, составляющему 43°C. В этом случае два предписанных предельных значения температуры могут, предпочтительно, использоваться одновременно на первом этапе вычислений.

Третий этап вычислений (“выбор H”) может включать в себя вычисление ожидаемого распределения температур для значения напряженности поля H, которое определено как максимально допустимое. Значение напряженности поля H, заданное как максимально допустимое, может, например, относиться к значению напряженности поля H, которое может быть установлено в качестве максимума на аппликаторе, или к значению напряженности поля H, которое определено как максимально допустимое для пациента. Третий этап вычислений может, на основании результата вычислений первого этапа вычислений (выбор T), выполняться автоматически, когда значение напряженности поля H, вычисленное на первом этапе вычислений, превышает значение напряженности поля H, заданное как максимально допустимое.

В отдельных вариантах способа имитационного моделирования по изобретению предельное значение температуры не используется в вычислениях на втором этапе вычислений (H-регулятор; быстрый H-регулятор) и/или на третьем этапе вычислений (выбор H). Во время данных вычислений, следовательно, возможно, что полученные в результате смоделированные распределения температур превысят предельное(-ые) значение(-я), рассматриваемое(-ые) на первом этапе вычислений. Например, температуры, превышающие 43°C, могут, таким образом, иметь место вне обрабатываемого объема и/или температуры, превышающие 80°C, могут, таким образом, иметь место внутри обрабатываемого объема. Это позволяет врачу получить более полный обзор эффектов планируемой термальной терапии, чем если бы у него были только результаты, основанные на строго заданном предельном значении температуры, для вычисления на первом этапе вычислений.

Вычисления на втором этапе вычислений могут быть выполнены для множества предписанных значений напряженности поля H, которые могут быть установлены на аппликаторе, предпочтительно, содержащего от 3 до 20 значений напряженности поля H, в частности, от 5 до 10 значений напряженности поля H. В дополнение или в качестве альтернативы, вычисления на втором этапе вычислений могут быть выполнены для множества предписанных значений напряженности поля H, которое установлено на аппликаторе, предпочтительно, от 3 кА/м до 20 кА/м, особенно предпочтительно, от 5 кА/м до 10 кА/м (H-регулятор).

Второй этап вычислений (H-регулятор; быстрый H-регулятор) может быть инициирован после первого этапа вычислений (выбор T) и, возможно, третьего этапа вычислений (выбор H), только при вводе данных пользователем. Если пользователь не запрашивает дополнительной ориентировки после вывода исходного результирующего распределения температур с ассоциированным исходным значением напряженности поля H (в данном случае “исходное” означает результат первого или, возможно, третьего этапа вычислений), то пользователь может обойтись без ввода данных, и, таким образом, можно сохранить или использовать другим образом ресурсы вычислительного устройства, на котором реализуется способ имитационного моделирования по изобретению.

В частности, в случае вычисления значения напряженности поля H, которое должно быть установлено на первом этапе вычислений (выбор T), варианты способа имитационного моделирования по изобретению не выполняют множество итераций на основании принципа “проб и ошибок”, который включает вычисление результирующих распределений температур по выбранным значениям напряженности поля посредством численного решения BHTE, с тем, чтобы итеративно придти к искомому значению напряженности поля H. Такие итерации, в которых BHTE решается численно, каждый раз требуют большого объема ресурсов в отношении вычислительной мощности, времени вычислений и требований к памяти, и, следовательно, не подходят для средства имитационного моделирования, которое предназначено для выдачи пользователю обзора планируемых вариантов терапии. Вместо этого BHTE численно решается только два раза на первом этапе вычислений, как подробнее объясняется ниже.

В одном из вариантов осуществления способа имитационного моделирования по изобретению значение напряженности поля H вычисляется на первом этапе вычислений (выбор T) на основании предписанной характеристической кривой, например, полученной по контрольному измерению, которая показывает взаимосвязь между (контрольным) коэффициентом поглощения энергии и напряженностью поля H.

В одном конкретном варианте осуществления первый этап вычислений имеет следующие этапы: вычисление средней плотности поглощения энергии (или эквивалентной переменной) в магнитном поле аппликатора в объеме размещения, при этом средняя плотность поглощения энергии (или эквивалентная переменная) вычисляется на основании измеренного геометрического распределения наночастиц, и BHTE, описывающее модель, численно решается ровно один раз с целью получения базисного распределения температур без поглощения энергии, и BHTE, описывающее модель, численно решается ровно один раз с целью получения распределения относительных приращений температуры на основании относительной плотности поглощения энергии; и при этом относительная плотность поглощения энергии масштабируется с помощью основанного на температуре коэффициента масштабирования, который получают на основании по меньшей мере одного предписанного предельного значения температуры, базисного распределения температур и распределения относительных приращений температуры; вычисление, на основании вычисленной средней плотности поглощения энергии и вычисленной массы наночастиц, контрольного коэффициента поглощения энергии, который показывает удельный коэффициент поглощения энергии, например, неразбавленной магнитной жидкости, содержащей наночастицы, обычно на основании массы наночастиц, в Вт/г; и вычисление значения напряженности поля H на основании вычисленного контрольного коэффициента поглощения энергии и предписанной характеристической кривой, например, полученной по контрольному измерению, которая относится к взаимосвязи между контрольным коэффициентом поглощения энергии и напряженностью приложенного поля H; кроме того, в качестве варианта, вычисление результирующего распределения температур на основании базисного распределения температур, распределения относительных приращений температуры и основанного на температуре показателя масштабирования.

Базисное распределение температур, вычисленное на первом этапе вычислений, и/или распределение относительных приращений температуры может быть предоставлено по меньшей мере для одного применения, помимо первого этапа вычислений, например, может храниться в основной памяти и/или на жестком диске. В качестве примера, применение может относиться к быстрому вычислению, на втором этапе вычислений (для варианта осуществления “быстрый H-регулятор”), результирующего распределения температур на основании значений напряженности поля H, которые были введены пользователем, без необходимости повторного численного решения BHTE для получения распределения температур и/или распределения относительных приращений температуры.

На втором этапе вычислений в варианте осуществления “быстрый H-регулятор”, независимо от количества предписанных и/или заданных пользователем значений напряженности поля H, может быть использовано предоставленное (ранее вычисленное на первом этапе вычислений) базисное распределение температур и/или предоставленное (ранее вычисленное на первом этапе вычислений) распределение относительных приращений температуры, например, указанные выше распределения температур (базисное и относительное пошаговое), которые были предоставлены на первом этапе вычислений. Таким образом, можно избежать повторного численного решения BHTE, которое является трудоемким в отношении памяти и времени вычислений, для вычисления базисного и/или относительного распределения приращения температур.

В конкретных вариантах осуществления способа имитационного моделирования по изобретению (вариант осуществления “H-регулятор”) второй этап вычислений спроектирован таким образом, чтобы базисное распределение температур и относительное пошаговое распределение температур не использовались из основной памяти или с жесткого диска, а должны были быть повторно вычислены как часть второго этапа вычислений посредством численного решения BHTE. В данном случае, независимо от количества предписанных и/или заданных пользователем значений напряженности поля H, BHTE численно решается не более двух раз, а именно, один раз для вычисления базисного распределения температур и один раз для вычисления распределения относительных приращений температуры.

В вариантах способа имитационного моделирования по изобретению, на втором этапе вычислений (H-регулятор, быстрый H-регулятор) результирующее распределение температур, которое должно ожидаться, вычисляется посредством основанного на поглощении энергии масштабирования (“K”) вычисленного или предоставленного распределения относительных приращений температуры. Конкретные варианты осуществления способа имитационного моделирования включают в себя следующие этапы на втором этапе вычислений (H-регулятор, быстрый H-регулятор): вычисление распределения относительной плотности поглощения энергии (или эквивалентной переменной) и относительной средней плотности поглощения энергии (или эквивалентной переменной) на основании измеренного геометрического распределения наночастиц; предоставление базисного распределения температур на основании численного решения BHTE, описывающего модель без поглощения энергии, и предоставление распределения относительных приращений температуры на основании численного решения BHTE, описывающего модель с вычисленным распределением относительной плотности поглощения энергии [предоставление осуществляется посредством прочтения ранее сохраненных распределений (для “быстрого H-регулятора”) или посредством повторного численного решения BHTE (для “H-регулятора”)]; выполнение следующих этапов для каждого значения напряженности поля H из множества предписанных значений напряженности поля H и/или заданного пользователем значения напряженности поля H: вычисление контрольного коэффициента поглощения энергии, который показывает удельный коэффициент поглощения энергии, например, неразбавленной магнитной жидкости, содержащей наночастицы, при этом вычисление основано на соответствующем значении напряженности поля H и предписанной характеристической кривой, например, полученной по контрольному измерению, которая относится к взаимосвязи между контрольным коэффициентом поглощения энергии и напряженностью приложенного поля H; вычисление, на основании контрольного коэффициента поглощения энергии и вычисленной массы наночастиц в объеме размещения, средней плотности поглощения энергии; основанное на поглощении энергии масштабирование, то есть вычисление основанного на поглощении энергии показателя масштабирования на основании соответствующей средней плотности поглощения энергии и относительной плотности поглощения энергии; вычисление соответствующего результирующего распределения температур на основании базисного распределения температур, распределения относительных приращений температуры и основанного на поглощении энергии показателя масштабирования.

В соответствии с изобретением предложен еще один компьютеризованный способ имитационного моделирования (выбор T) для предоставления помощи в планировании термотерапии. Термотерапия включает в себя гипертермическую обработку объема опухоли в объеме тела человеческого организма. Гипертермическая обработка включает в себя приложение магнитного поля в обрабатываемом объеме посредством аппликатора магнитного поля. Тепловая энергия может быть введена по меньшей мере в один объем размещения посредством поглощения энергии в приложенном магнитном поле посредством магнитных, парамагнитных и/или суперпарамагнитных наночастиц, помещенных в тело. Способ имитационного моделирования относится к вычислению напряженности поля H, которая должна быть установлена на аппликаторе, на основании геометрического распределения наночастиц и по меньшей мере одного предписанного предельного значения температуры, которое не должно превышаться при гипертермической обработке (выбор T). Значение напряженности поля H вычисляется на основании предписанной характеристической кривой, например, полученной по контрольному измерению, которая показывает взаимосвязь между коэффициентом поглощения энергии и напряженностью поля H.

В одном конкретном варианте осуществления способ имитационного моделирования имеет следующие этапы: вычисление средней плотности поглощения энергии (или эквивалентной переменной) в магнитном поле аппликатора в объеме размещения, при этом относительная плотность поглощения энергии вычисляется на основании измеренного геометрического распределения наночастиц, и BHTE, описывающее модель, численно решается ровно один раз с целью получения базисного распределения температур без поглощения энергии, и BHTE, описывающее модель, численно решается ровно один раз с целью получения распределения относительных приращений температуры на основании относительной плотности поглощения энергии; и при этом относительная плотность поглощения энергии масштабируется с помощью основанного на температуре показателя масштабирования, который получают на основании по меньшей мере одного предписанного предельного значения температуры, базисного распределения температур и распределения относительных приращений температуры; вычисление, на основании вычисленной средней плотности поглощения энергии и вычисленной массы наночастиц, контрольного коэффициента поглощения энергии, который показывает удельный коэффициент поглощения энергии, например, неразбавленной магнитной жидкости, содержащей наночастицы; вычисление значения напряженности поля H на основании вычисленного контрольного коэффициента поглощения энергии и предписанной характеристической кривой, например, полученной по контрольному измерению, которая относится к взаимосвязи между контрольным коэффициентом поглощения энергии и напряженностью приложенного поля H; предпочтительно, вычисление результирующего распределения температур на основании базисного распределения температур, распределения относительных приращений температуры и основанного на температуре показателя масштабирования; и предоставление вычисленного значения напряженности поля H и, необязательно, результирующего распределения температур, ассоциированного с указанным значением напряженности поля H, вычисленным в соответствии с описанным выше, с целью предоставления помощи пользователю в планировании термотерапии.

В изобретении предлагается еще один компьютеризованный способ имитационного моделирования (H-регулятор; быстрый H-регулятор) для предоставления помощи в планировании термотерапии. Термотерапия включает в себя гипертермическую обработку объема опухоли в объеме тела человеческого организма. Гипертермическая обработка включает в себя приложение магнитного поля в обрабатываемом объеме посредством аппликатора магнитного поля. Тепловая энергия может быть введена по меньшей мере в один объем размещения посредством поглощения энергии в приложенном магнитном поле посредством магнитных, парамагнитных и/или суперпарамагнитных наночастиц, помещенных в тело. Способ имитационного моделирования относится к вычислению для каждого значения напряженности поля H из множества предписанных значений напряженности поля H и/или заданного пользователем значения напряженности поля H, распределения температур, которое должно ожидаться по меньшей мере для части объема тела (H-регулятор). Распределение температур, которое должно ожидаться, вычисляется посредством основанного на поглощении энергии масштабирования вычисленного или предоставленного распределения относительных приращений температуры.

В отдельных вариантах, независимо от количества предписанных и/или заданных пользователем значений напряженности поля H, например, с целью избегания повторного численного решения BHTE, используется(-ются) ранее вычисленное (на этапе выбора T) базисное распределение температур и/или ранее вычисленное (на этапе выбора T) распределение относительных приращений температуры (быстрый H-регулятор). В дополнение или в качестве альтернативы, возможно, независимо от количества предписанных и/или заданных пользователем значений напряженности поля H, для BHTE, описывающего модель, отсутствие выполнения численного решения (быстрый H-регулятор), однократное (выбор H) или более чем двукратное (H-регулятор) численное решение с целью последующего определения результирующего распределения температур. В случае отсутствия выполнения решения (быстрый H-регулятор) результирующее распределение температур строится путем объединения базисного распределения температур - ранее вычисленного (предыдущие этапы вычислений) посредством BHTE - и ранее вычисленного распределения относительных приращений температуры посредством основанного на поглощении энергии масштабирования. В случае однократного решения (выбор H) результирующее распределение температур вычисляется численно непосредственно, то есть без разделения на базисный и пошаговый компоненты, посредством решения BHTE. В случае двукратного решения (H-регулятор) базисное и пошаговое распределения температур отдельно вычисляются численно на данном (втором) этапе вычислений посредством решения BHTE, и затем соединяются в результирующее распределение температур посредством основанного на поглощении энергии масштабирования.

В конкретных вариантах осуществления способ имитационного моделирования имеет следующие этапы: вычисление распределения относительной плотности поглощения энергии (или эквивалентной переменной) и относительной средней плотности поглощения энергии (или эквивалентной переменной) на основании измеренного геометрического распределения наночастиц; предоставление базисного распределения температур на основании численного решения BHTE, описывающего модель без поглощения энергии, и предоставление распределения относительных приращений температуры на основании численного решения BHTE, описывающего модель с вычисленным распределением относительной плотности поглощения энергии; выполнение следующих этапов для каждого значения напряженности поля H из множества предписанных значений напряженности поля H и/или заданного пользователем значения напряженности поля H: вычисление контрольного коэффициента поглощения энергии, который показывает удельный коэффициент поглощения энергии, например, неразбавленной магнитной жидкости, содержащей наночастицы, при этом вычисление основано на соответствующем значении напряженности поля H и предписанной характеристической кривой, например, полученной по контрольному измерению, которая относится к взаимосвязи между контрольным коэффициентом поглощения энергии и напряженностью приложенного поля H; вычисление, на основании контрольного коэффициента поглощения энергии и вычисленной массы наночастиц в объеме размещения, средней плотности поглощения энергии; основанное на поглощении энергии масштабирование, то есть вычисление основанного на поглощении энергии показателя масштабирования на основании соответствующей средней плотности поглощения энергии и относительной плотности поглощения энергии; вычисление соответствующего результирующего распределения температур на основании базисного распределения температур, распределения относительных приращений температуры и основанного на поглощении энергии показателя масштабирования; предоставление вычисленного распределения температур с целью предоставления помощи пользователю в планировании термотерапии.

В изобретении также предлагается компьютерная программа, которая запрашивает выполнение одного из способов имитационного моделирования, описанных в настоящем описании, когда компьютерная программа выполняется на программируемом вычислительном устройстве, например, на компьютере в клинике или месте врачебной практики. Компьютерная программа может храниться или присутствовать в сохраненной форме на машиночитаемом носителе информации, например, постоянном или перезаписываемом носителе информации, на программируемом вычислительном устройстве, или может быть ассоциировано с ним, или на CD-ROM, DVD или USB-накопителе. В дополнение или в качестве альтернативы, может быть представлена компьютерная программа для скачивания на программируемое вычислительное устройство, например, через сеть данных, такую как Интернет, или через канал связи, такой как телефонная линия и/или беспроводное соединение.

Кроме того, изобретение предоставляет вычислительное устройство, которое спроектировано для предоставления помощи в планировании термотерапии. В данном случае термотерапия включает в себя гипертермическую обработку объема опухоли в объеме тела человеческого организма, при этом гипертермическая обработка включает в себя приложение магнитного поля в обрабатываемом объеме посредством аппликатора магнитного поля. В данном случае тепловая энергия может быть введена по меньшей мере в один объем размещения посредством поглощения энергии в приложенном магнитном поле посредством магнитных, парамагнитных и/или суперпарамагнитных наночастиц, помещенных в тело. Вычислительное устройство имеет следующие компоненты: первый вычислительный компонент, который спроектирован для вычисления значения напряженности поля H, которое должно быть установлено на аппликаторе, на основании геометрического распределения наночастиц и по меньшей мере одного предписанного предельного значения температуры, которое не должно превышаться при гипертермической обработке; второй вычислительный компонент, который спроектирован для необязательного вычисления распределения температур, которое должно ожидаться, по меньшей мере для части объема тела для каждого значения напряженности поля H из множества предписанных значений напряженности поля H, и/или для заданного пользователем значения напряженности поля H; необязательный третий компонент, спроектированный для вычисления распределения температур, которое должно ожидаться для максимального допустимого значения напряженности поля H, когда значение напряженности поля H, вычисленное на первом этапе вычислений, превышает данное максимально допустимое значение напряженности поля H; и компонент для выдачи (пользователю) вычисленного значения напряженности поля H, которое должно быть установлено на аппликаторе и, необязательно, по меньшей мере одного вычисленного распределения температур (например, ассоциированного с указанным выше значением напряженности поля H) с целью предоставления помощи пользователю в планировании термотерапии.

Еще одно вычислительное устройство по изобретению (“выбор T”) спроектировано для предоставления помощи в планировании термотерапии, при этом термотерапия включает в себя гипертермическую обработку объема опухоли в объеме тела человеческого организма, и при этом гипертермическая обработка включает в себя приложение магнитного поля в обрабатываемом объеме посредством аппликатора магнитного поля. В данном случае тепловая энергия может быть введена по меньшей мере в один объем размещения посредством поглощения энергии в приложенно