Study of bioheat transfer processes for hyperthermia cancer treatment

Abstract

Hyperthermia is a type of cancer treatment in which cancer cells are exposed to high temperatures (in the range 42-45°C). Research has shown that high temperatures can damage and kill cells by maintaining them in that range of temperatures for approximately thirty minutes. By killing cancer cells and damaging proteins and structures within them, hyperthermia may shrink tumors with minimal injury to normal tissues. In this research, the viability of the treatment is investigated by means of Pennes’ bio-heat equation to model the heat diffusion in tissues for domains containing magnetic nanoparticles, which are the heat sources. The heating mechanism is the result of the magnetic relaxation of the particles (Brownian and/or Néel relaxation) by the application of alternating magnetic fields. The bioheat equation is solved for different shapes of the domain and heating conditions by numerical and analytical methods. A method for solving analytically bio-heat problems by means of free-space Green’s functions is developed and applied to some particular problems. A parametric analysis was carried out to develop the relative influence of the parameters involved in the process on the temperature profile, like the generation rate, perfusion rate and distribution of the sources. This study shows that with heating rates already achievable, it is possible to reach the therapeutic temperature profile. Then, the limitations in the treatment would rely in questions of toxicity, targeting, among others.

Hipertermia es un tipo de tratamiento para el cáncer en el cual el tejido canceroso es sometido a altas temperaturas (en el rango 42-45°C). Estas altas temperaturas dañan e inducen la muerte celular luego de una exposición de alrededor de treinta minutos. De esta forma, el tratamiento por hipertermia puede reducir tumores con un daño leve al tejido sano colindante. La viabilidad del tratamiento es investigada modelando la difusión de calor en los tejidos a través del modelo de Pennes, conocido como bio-heat equation y usándolo para evaluar los perfiles de temperatura obtenibles en dominios de tejido conteniendo nanopartículas magnéticas de escala nanométrica, que son las fuentes de calor. Los mecanismos de generación son el resultado de efectos de relajación magnética (relajación Browniana y/o de Néel) bajo la acción de campos magnéticos alternos. La temperatura es resuelta para diferentes configuraciones del dominio y condiciones de generación por medio de técnicas analíticas y numéricas. En particular, se propone un método para resolver problemas de esta índole en medios infinitos y se muestra la aplicación del mismo a partir de unos casos particulares. Se llevo a cabo un análisis de la importancia relativa de los distintos parámetros que intervienen en el desarrollo del perfil de temperatura. Entre los parámetros analizados se encuentran la tasa de generación, la tasa de perfusión y la distribución de las fuentes. Este estudio muestra que, con las tasas de generación alcanzables actualmente, es posible establecer el perfil de temperatura terapéutico. Luego, limitaciones en la aplicación tendrían que ver con cuestiones como la toxicidad de las partículas, focalización, entre otras.