Odaklı ultrason terapisinde frekans eniyilemesi için dokuda ısı yayılım modeli geliştirilmesi ve manyetik rezonans yardımı ile doğrulanması

Abstract

Yüksek yoğunluklu odaklı ultrason (HIFU), günümüzde pek çok hastalığın tedavisi için umut vadeden bir teknolojidir. Doku eritmesi ve ilaç teslimatı gibi iki temel tedavi yöntemi üzerine çalışılan bu teknolojide, süre ve dozaj önemli bir rol oynamaktadır. Doku eritmesinde kısa sürede çok yüksek derecelere ulaşılmasına karşın ilaç teslimatı gibi uygulamalarda daha uzun süreli düşük derecelerde terapi uygulanır. Her iki terapide de önemli olan nokta ise hedef dışındaki dokulara zarar vermemektir (örn. Deri). Bu sebeple geliştirilen pek çok yöntemlerden birisi de frekans eniyilemesidir. Frekans eniyilemesi, hedef dokunun derinliğine bağlı olarak verilen frekansı ayarlayarak sadece istenilen noktayı yakmak için verilen akustik gücü ayarlamaya yarar. Literatürdeki çalışmalarda frekans eniyilemesinin analitik çözümü mevcuttur fakat deneysel olarak gösterilen çalışmalar henüz bu frekans eniyilemesi teorisini tam olarak doğrulamamıştır. Bu tezde, bir HIFU sisteminin doku ile birlikte modellenmesi ve bu modelin Manyetik Rezonans (MR) kullanarak doğrulanması amaçlanmıştır. Böylelikle verimli bir HIFU terapisi için sıcaklık artışının frekans ile ayarlanabileceği ve en verimli noktanın bulunduğunun modellenmesi ve doğrulanması amaçlanmıştır. Model ve deneyler ex vitro tavuk göğsü kullanarak yapılmıştır. Modelde COMSOL yazılımı kullanılmıştır ve deney ortamı taklit edilmeye çalışılmıştır. 2-Boyutlu aksisimetrik yapı çözülmüştür ve dokuda akustik yayılım ve dokuda ısı yayılımı sonuçları elde edilerek MR termometri verileri ile karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına göre dokuda ısı yayılım modeli doğrulanmış ve dokuda ısı artışının frekans bağımlılığı gösterilmiştir. Sonuç olarak verimli bir HIFU terapisi için dokudaki sıcaklık artışının önceden tahmin edilebileceği ve sıcaklık artışının akustik frekans ile değiştirilebileceği gösterilmiştir.

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a promising technology for the treatment of various diseases. The techniques that have been studied mostly include tissue ablation and drug delivery in which application duration and dosage are critical. Tissue ablation requires very high temperatures reached within seconds whereas, drug delivery applications require low temperatures over longer durations. It is also critical to not damage any other tissue than target tissue in both applications (i.e. skin). Therefore, many studies focused on reducing unnecessary heating of the tissue. One of the promising solutions is frequency optimization. Frequency optimization technique, utilizes the frequency of the acoustic pressure depending on the target tissue depth. In literature, there is an analytic solution for this problem; however, this has not been shown experimentally with the calculated solution. This thesis focuses on modeling of a HIFU system with tissue model while using Magnetic Resonance (MR) thermometry for experimental data. So that an efficient HIFU therapy can be delivered to the target knowing how much the tissue is going to be heated. For the experiments, ex vitro chicken breast was used. The model uses COMSOL software and experimental environment can be mimicked properly. The model benefits from 2-D axisymmetric structure of the acoustic and heat problem. The model was then validated using MR thermometry. Frequency dependence was shown both analytically and experimentally. As a result, a HIFU model for tissue heating, which can be used for treatment planning, has been developed and has been shown to predict temperature rise correctly.