Тепловая абляция биоткани при однократном ударно-волновом воздействии на дискретные фокусы внутри задаваемого объема

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Разработаны новые протоколы ударно-волнового облучения объемов биоткани с использованием траекторий, равномерно заполненных дискретными фокусами внутри заданной формы, при этом импульсное миллисекундное воздействие на каждый фокус производилось однократно и сразу формировало одиночное разрушение. При разработке наиболее выигрышных протоколов облучения анализировалось влияние начальной пиковой мощности при постоянстве её средней по времени величины, межфокусного расстояния и геометрии внешнего контура траектории на форму, объем и скорость получения теплового разрушения. Показано, что для произвольной геометрии внешнего контура однослойной траектории наиболее выигрышным является режим насыщения амплитуды ударного фронта в фокусе решетки с использованием траектории с межфокусным шагом, в 1.5 раза превышающим поперечный размер одиночного разрушения. Для получения объемов теплового разрушения порядка кубических сантиметров предложены протоколы с послойным облучением ткани, которые позволяют до 2.5 раз ускорить процесс тепловой абляции по сравнению с протоколами, используемыми в клинической практике. Преимуществом предложенных протоколов с использованием ударно-волнового режима воздействия является возможность получения локализованных и предсказуемых по форме тепловых разрушений без сопутствующего МРТ-мониторинга.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. А. Пестова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: ppolina-98@yandex.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

П. В. Юлдашев

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: ppolina-98@yandex.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

В. А. Хохлова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: ppolina-98@yandex.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

М. М. Карзова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: ppolina-98@yandex.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

Список литературы

  1. Хилл К.Р., Бэмбер Дж. Ультразвук в медицине. Физические основы применения. Под ред. тер Хаар Г. Пер. с англ. М.: Физматлит, 2008.
  2. Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. М.: Фазис, 2013.
  3. Duc N.M., Keserci B. Emerging clinical applications of high-intensity focused ultrasound // Diagn. Interv. Radiol. 2019. V. 25. P. 398–409.
  4. Crouzet S., Chapelon J.Y., Rouvière O., Mege-Lechevallier F., Colombel M., Tonoli-Catez H., Martin X., Gelet A. Whole-gland ablation of localized prostate cancer with high-intensity focused ultrasound: oncologic outcomes and morbidity in 1002 patients // Eur. Urol. 2014. V. 65. P. 907–914.
  5. Meng Y., Solomon B., Boutet A., Llinas M., Scantlebury N., Huang Y., Hynynen K., Hamani C., Fasano A., Lozano A.M., Lipsman N,. Schwartz M.L. Magnetic resonance-guided focused ultrasound thalamotomy for treatment of essential tremor: A 2-year outcome study // Mov. Disord. 2018. V. 33. P. 1647–1650.
  6. Harding D., Giles S.L., Brown M.R.D., ter Haar G.R., van den Bosch M., Bartels L.W., Kim Y.-S., Deppe M., de Souza N.M. Evaluation of quality of life outcomes following palliative treatment of bone metastases with magnetic resonance-guided high intensity focused ultrasound: an international multicentre study // Clin. Oncol. 2018. V. 30. P. 233–242.
  7. Fabi S.G. Noninvasive skin tightening: focus on new ultrasound techniques // Clin. Cosmet. Investig. Dermatology. 2015. V. 8. P. 47–52.
  8. Mouratidis P.X.E., ter Haar G. Latest advances in the use of therapeutic focused ultrasound in the treatment of pancreatic сancer // Cancers. 2022. V. 14. № 3. P. 638.
  9. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 4. С. 437–464.
  10. Mougenot C., Köhler M.O., Enholm J., Quesson B., Moonen C. Quantification of near-field heating during volumetric MR-HIFU ablation // Med. Phys. 2011. V. 38. P. 272–282.
  11. Quesson B., Merle M., Kohler M.O., Mougenot C., Roujol S., de Senneville B.D., Moonen C.T. A method for MRI guidance of intercostal high intensity focused ultrasound ablation in the liver // Med. Phys. 2010. V. 37. № 6. P. 2533–2540.
  12. Kim Y.S., Keserci B., Partanen A., Rhim H., Lim H.K., Park M.J., Köhler M.O. Volumetric MR-HIFU ablation of uterine fibroids: role of treatment cell size in the improvement of energy efficiency // Eur. J. Radiol. 2012. V. 81. № 11. P. 3652−3659.
  13. Khokhlova V.A. Use of shock-wave exposures for accelerating thermal ablation of targeted tissue volumes // Focused Ultrasound Foundation Final Report. June 5. 2019.
  14. Khokhlova V.A., Bailey M.R., Reed J.A., Cunitz B.W., Kaczkowski P.J., Crum L.A. Effects of nonlinear propagation, cavitation, and boiling in lesion formation by high intensity focused ultrasound in a gel phantom // J. Acoust. Soc. Am. 2006. V. 119. № 3. P. 1834–1848.
  15. Yuldashev P.V., Shmeleva S.M., Ilyin S.A., Sapozhnikov O.A., Gavrilov L.G., Khokhlova V.A. The role of acoustic nonlinearity in tissue heating behind the rib cage using high intensity focused ultrasound phased array // Phys. Med. Biol. 2013. V. 58. № 8. P. 2537–2559.
  16. Филоненко E.А., Хохлова В.А. Эффекты акустической нелинейности при терапевтическом воздействии мощного фокусированного ультразвука на биологическую ткань // Акуст. журн. 2001. Т. 47. № 4. С. 541–549.
  17. Khokhlova T.D., Canney M.S., Khokhlova V.A., Sapozhnikov O.A., Crum L.A., Bailey M.R. Controlled tissue emulsification produced by high intensity focused ultrasound shock waves and millisecond boiling // J. Acoust. Soc. Am. 2011. V. 130. № 5. P. 3498−3510.
  18. Hynynen K. Demonstration of enhanced temperature elevation due to nonlinear propagation of focussed ultrasound in dog’s thigh in vivo // Ultrasound Med. Biol. 1987. V. 36. № 2. P. 85–91.
  19. Köhler M.O., Mougenot C., Quesson B., Enholm J., Le Bail B., Laurent C., Moonen C.T.W., Ehnholm G.J. Volumetric HIFU ablation under 3D guidance of rapid MRI thermometry // Med. Phys. 2009. V. 36. № 8. P. 3521–3535.
  20. Mougenot C., Salomir R., Palussière J., Grenier N., Moonen C.T.W. Automatic spatial and temporal temperature control for MR-guided focused ultrasound using fast 3D MR thermometry and multispiral trajectory of the focal point // Magn. Reson. Med. 2004. V. 52. P. 1005–1015.
  21. Fan X., Hynynen K. Ultrasound surgery using multiple sonications – treatment time considerations // Ultrasound Med. Biol. 1996. V. 22. № 4. P. 471–482.
  22. Enholm J.K., Köhler M.O., Quesson B., Mougenot C., Moonen C.T., Sokka S.D. Improved volumetric MR-HIFU ablation by robust binary feedback control // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2010. V. 57. № 1. P. 103−113.
  23. Андрияхина Ю.С., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Ускорение тепловой абляции объемов биологической ткани с использованием фокусированных ультразвуковых пучков с ударными фронтами // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 2. С. 1−12.
  24. Пестова П.А., Хохлова В.А., Юлдашев П.В., Карзова М.М. Использование фокусированных ударно-волновых пучков для подавления эффектов диффузии при объемной тепловой абляции биоткани // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 4. С. 417−429.
  25. Пестова П.А., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Крайдер У., Хохлова В.А. Влияние траектории перемещения фокуса на равномерность температурного поля при импульсном воздействии мощного ультразвукового пучка на биологическую ткань // Акуст. журн. 2021. Т. 57. № 3. С. 250−259.
  26. Пестова П.А., Юлдашев П.В., Хохлова В.А., Карзова М.М. Влияние траектории облучения на скорость тепловой абляции и объем разрушенной биоткани при ударно-волновом воздействии фокусированным ультразвуком // Известия РАН. Серия физическая. 2024. Т. 88. № 1. С. 125–130.
  27. Kreider W., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A., Farr N., Partanen A., Bailey M.R., Khokhlova V.A. Characterization of a multi-element clinical HIFU system using acoustic holography and nonlinear modeling // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2013. V. 60. № 8. P. 1683–1698.
  28. Карзова М.М., Аверьянов М.В., Сапожников О.А., Хохлова В.А. Механизмы насыщения в нелинейных фокусированных импульсных и периодических акустических пучках // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 1. С. 93–102.
  29. Rosnitskiy P.B., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A., Maxwell A.D., Kreider W., Bailey M.R., Khokhlova V.A. Design of HIFU transducers for generating specified nonlinear ultrasound fields // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2017. V. 64. № 2. P. 374–390.
  30. Karzova M.M., Kreider W., Partanen A., Khokhlova T.D., Sapozhnikov O.A., Yuldashev P.V., Khokhlova V.A. Comparative characterization of nonlinear ultrasound fields generated by Sonalleve V1 and V2 MR-HIFU systems // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2023. V. 70. № 6. P. 521–537.
  31. Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Моделирование трехмерных нелинейных полей ультразвуковых терапевтических решеток // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 3. С. 337−347.
  32. Duck F.A. Physical Properties of Tissue. London: Academic Press, 1990.
  33. https://itis.swiss/virtual-population/tissue-properties/database/acoustic-properties/
  34. Sapareto S.A., Dewey W.C. Thermal dose determination in cancer therapy // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1984. V. 10. № 6. P. 787−800.
  35. Venkatesan A.M., Partanen A., Pulanic T.K., Dreher M.R., Fischer J., Zurawin R.K., Muthupillai R., Sokka S., Nieminen H.J., Sinaii N., Merino M., Wood B.J., Stratton P. Magnetic resonance imaging–guided volumetric ablation of symptomatic leiomyomata: correlation of imaging with histology // J. Vasc. Interv. Radiol. 2012. V. 23. № 6. P. 786–794.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) — Схема численного эксперимента. Ультразвуковой пучок создается рандомизированной HIFU–решеткой (256 круглых элементов диаметром 6.6 мм) с апертурой 128 мм, рабочей частотой 1.2 МГц, фокусным расстоянием F = 120 мм. Фокусировка происходит в образец ткани говяжьей печени на глубину h = 2.5 см, излучатель и образец ткани помещены в воду. (б) — Профили давления в фокусе решетки в ткани для режима насыщения (I₀ = 15 Вт/см², красная линия) и режима с формированием развитого разрыва (I₀ = 8 Вт/см², синяя штрихпунктирная линия). (в, г) — Дискретные траектории однократного воздействия на каждый фокус, ограниченные внешним контуром в виде равных по площади (в) — окружности радиуса 4 мм и (г) — квадрата со стороной 7 мм; фокусы расположены на равномерной сетке с шагом s. Спиралевидная последовательность электронного перемещения фокуса решетки показана в выделенном круге стрелкой (из центра наружу).

Скачать (237KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пространственные распределения температуры в момент окончания нагрева t при ударно-волновом облучении в режиме насыщения (I₀ = 15 Вт/см², левый столбец) и в режиме формирования развитого разрыва (I₀ = 8 Вт/см², правый столбец) по дискретной траектории, ограниченной внешним контуром в форме окружности, с различными межфокусными расстояниями s: (а) — 0.40, (б) — 0.55, (в) — 0.60, (г) — 0.65, (д) — 0.75 мм для 15 Вт/см² и (е) — 0.25, (ж) — 0.45, (з) — 0.50, (и) — 0.52, (к) — 0.55 мм для 8 Вт/см², соответственно. Черным контуром обозначена область, внутри которой тепловая доза превысила свое пороговое значение после остывания образца. На каждом пространственном распределении температуры показаны время окончания нагрева, достигнутая скорость тепловой абляции и значение разрушенного объема.

Скачать (536KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Пространственные распределения температуры в момент окончания нагрева t (а) − при ударно-волновом облучении в режиме насыщения (I₀ = 15 Вт/см²) и (б) — в режиме формирования развитого разрыва (I₀ = 8 Вт/см²) по дискретной траектории, ограниченной внешним контуром в виде квадрата со стороной 7 мм, с оптимальным межфокусным шагом s (0.6 мм для 15 Вт/см² и 0.5 мм для 8 Вт/см²). Черным контуром обозначена область, внутри которой тепловая доза превысила свое пороговое значение после остывания образца. На каждом пространственном распределении температуры показаны время окончания нагрева, достигнутая скорость тепловой абляции и значение разрушенного объема.

Скачать (229KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Пространственные распределения температуры в момент окончания нагрева t (а) — при ударно-волновом облучении образца печени в режиме насыщения (I₀ = 15 Вт/см²) и (б) — в режиме формирования развитого разрыва (I₀ = 8 Вт/см²) по трехслойной траектории. Расстояние между соседними слоями составляло 5 мм, облучение начиналось с дальнего от излучателя слоя. Черным контуром обозначена область, внутри которой тепловая доза превысила свое пороговое значение после остывания образца. В верхнем ряду показаны распределения в фокальной плоскости для каждого из слоев, а в нижнем ряду — распределение в аксиальной плоскости. На распределениях обозначены межфокусные шаги s в каждом слое, длительность облучения t, достигнутые скорости тепловой абляции и объемы полученных разрушений.

Скачать (319KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024