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 tedavisiiçin umut vadeden bir teknolojidir. Doku eritmesi ve ilaç teslimatı gibi iki temeltedavi yöntemi üzerine çalışılan bu teknolojide, süre ve dozaj önemli bir roloynamaktadır. Doku eritmesinde kısa sürede çok yüksek derecelere ulaşılmasınakarşın ilaç teslimatı gibi uygulamalarda daha uzun süreli düşük derecelerde terapiuygulanır. Her iki terapide de önemli olan nokta ise hedef dışındaki dokulara zararvermemektir (örn. Deri). Bu sebeple geliştirilen pek çok yöntemlerden birisi defrekans eniyilemesidir. Frekans eniyilemesi, hedef dokunun derinliğine bağlı olarakverilen frekansı ayarlayarak sadece istenilen noktayı yakmak için verilen akustikgücü ayarlamaya yarar. Literatürdeki çalışmalarda frekans eniyilemesinin analitikçözümü mevcuttur fakat deneysel olarak gösterilen çalışmalar henüz bu frekanseniyilemesi teorisini tam olarak doğrulamamıştır. Bu tezde, bir HIFU sisteminindoku ile birlikte modellenmesi ve bu modelin Manyetik Rezonans (MR) kullanarakdoğrulanması amaçlanmıştır. Böylelikle verimli bir HIFU terapisi için sıcaklıkartışının frekans ile ayarlanabileceği ve en verimli noktanın bulunduğununmodellenmesi ve doğrulanması amaçlanmıştır. Model ve deneyler ex vitro tavukgöğsü kullanarak yapılmıştır. Modelde COMSOL yazılımı kullanılmıştır ve deneyortamı taklit edilmeye çalışılmıştır. 2-Boyutlu aksisimetrik yapı çözülmüştür vedokuda akustik yayılım ve dokuda ısı yayılımı sonuçları elde edilerek MRtermometri verileri ile karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına göre dokuda ısı yayılımmodeli doğrulanmış ve dokuda ısı artışının frekans bağımlılığı gösterilmiştir. Sonuçolarak verimli bir HIFU terapisi için dokudaki sıcaklık artışının önceden tahminedilebileceği ve sıcaklık artışının akustik frekans ile değiştirilebileceği gösterilmiştir.

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a promising technology for thetreatment of various diseases. The techniques that have been studied mostly includetissue ablation and drug delivery in which application duration and dosage arecritical. Tissue ablation requires very high temperatures reached within secondswhereas, 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 thetissue. One of the promising solutions is frequency optimization. Frequencyoptimization technique, utilizes the frequency of the acoustic pressure depending onthe target tissue depth. In literature, there is an analytic solution for this problem;however, this has not been shown experimentally with the calculated solution. Thisthesis focuses on modeling of a HIFU system with tissue model while usingMagnetic Resonance (MR) thermometry for experimental data. So that an efficientHIFU therapy can be delivered to the target knowing how much the tissue is going tobe heated. For the experiments, ex vitro chicken breast was used. The model uses COMSOL software and experimental environment can be mimicked properly. Themodel benefits from 2-D axisymmetric structure of the acoustic and heat problem.The model was then validated using MR thermometry. Frequency dependence wasshown both analytically and experimentally. As a result, a HIFU model for tissueheating, which can be used for treatment planning, has been developed and has beenshown to predict temperature rise correctly.