The Effects of Warm and Cold Stimulations on the Temperature Distribution in the Prostate

Hyperthermia using transrectal thermal probes has been used for a noninvasive treatment of prostate diseases. However it is known that heating the rectal wall at excessively high temperature can lead to destruction of the rectal mucous membrane. and it is difficult to maintain an optimum temperature over the entire prostate. Thus, a more accurate understanding of the heat transfer mechanism between prostate and hyperthermia system is needed Numerical analysis was performed to investigate how the cold/warm stimulations on the prostate surface affect the temperature distribution in the prostate model. The general purpose software "FLUENT" was used for obtaining a finite volume solution to the unsteady conduction equation and to calculate the time-varying temperature in the prostate. Effects of the warm/cold stimulations and the stimulation frequency on the temperature distribution were simulated. and we visualized how hyperthermia affected the inside of the prostate. It was found that the effect of hyperthermia by using a typical heating method is limited due to the low thermal conductivity of the prostate. Consecutive repetitions of warm and cold stimulations were considered to provide the thermal irritations inside a prostate. The effects of temperature difference and duration of warm/cold stimulations were investigated, and basic data for the optimum period and effective patterns of stimulations were obtained. A simplified bioheat equation was also solved to describe effects of the blood flow on the blood-tissue heat transfer. The effect of blood flow was not dominant compared to that of warm/cold stimulations. These results might be used as data for design of prostate treating probe, prostatic therapy and thermal stimulation effects on the prostate.

냉.온열의 반복 자극이 전립선 내부의 온도 분포에 미치는 영향

가온 프로브를 사용하여 직장을 통한 온열치교법이 비침습적 전립선치료의 한 방법으로 사용되고 있으나 직장벽 내에서의 과도한 온도에 의한 가열은 장점막의 손상을 입힐 뿐만 아니라 전립선 전체를 적절한 온도까지 가열하기가 어렵다고 알려져 있다. 따라서 전립선과 온열치료 시스템 사이에서 일어나는 열전달 메카니즘에 관한 보다 정확한 이해가 요구된다. 본 연구에서는 전립선 표면에 가해진 냉.온 자극이 전립선 내부의 온도 분포에 미치는 영향을 수치해석을 이용하여 검토하였다. 유한체적 프로그램인 "FLUENT"를 사용하여 비정상상태의 열전도방정식을 해석하여 전립선 내의 시간에 따른 온도분포를 고찰하고, 가열 및 냉각시간, 가열 및 냉각온도 등이 전립선 내부의 온도분포와 온열효과가 전달되는 영역을 규명하였다. 온열 치료법(40~45$^{\circ}C$)에 의해 온열효과가 나타나는 전립선의 내부 영역을 가시화하고, 가열/냉각의 반복 자극이 전립선의 온도분포에 미치는 영향을 조사한 결과 통상적인 온열 치료법에 의한 온열효과는 전립선의 낮은 열전도도의 영향에 의해 전립선의 일부 영역에만 도달되는 한계를 보였다. 가열/냉각의 냉.온 자극을 반복하면서 열적 자극효과를 고려한 냉.온 치료시스템을 개발하기 위하여 냉.온 자극 온도와 시간이 전립선 내부에 미치는 열전달 메카니즘을 고찰하여 원하는 자극주기와 전립선 내부 온도자극 정도를 설정하기 위한 유효한 자극패턴을 제시할 수 있는 기초자료를 획득하였다. 또한, 전립선 조직내부를 통과하는 혈액의 유동이 조직의 온도분포 및 열전달에 미치는 영향을 검토한 결과 냉온 자극 강도에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 냉온자극에 의한 전립선치료기의 자극프로브의 형상 설계와 가열에 의한 온열 효과 및 가열/냉각의 반복에 의한 열자극 효과를 동시에 얻을 수 있는 자극시스템을 개발하는 데에 유용하게 사용할 수 있으리라 사료된다.