고강도 집속 초음파 치료를 위한 실시간 Targeting 및 Monitoring 방법
Real-Time Targeting and Monitoring Methods for High-Intensity Focused Ultrasound Therapy
- Subject HIFU , FUS , beam path visualization , interference cancellation
- Publisher 서강대학교 일반대학원
- Adviser 송태경
- Issued 2012
- Awarded 2012. 2
- Thesis degree 박사
- Major 일반대학원 바이오융합기술협동과정
- URI entity http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000047254
- Language 한국어
- Rights 서강대학교 논문은 저작원 보호를 받습니다.
Abstract
High-intensity focused ultrasound (HIFU) has been utilized to treat various kinds of solid tumors, such as uterine fibroids, benign prostatic hyperplasia and liver cancers, due to its noninvasiveness and accurate targeting capability. In HIFU treatment, since temperature at the HIFU focal site can rise higher than 60℃ within a few seconds and inertia cavitation can generate irregular lesions, effective targeting and monitoring in real time is essential for the patient’s safety. Currently, magnetic resonance imaging and ultrasound imaging are utilized as a guidance and monitoring modality (i.e., MRgHIFU and USgHIFU). MRI can localize HIFU focus since it can visualize the ultrasound beam path and show temperature elevation during HIFU treatment. However, it is difficult to achieve real-time monitoring due to a long image acquisition time. USgHIFU has the potential to provide real-time guidance of HIFU treatment at a relatively low cost. However, it cannot provide focus confirmation like MRgHIFU, and it currently suffers from HIFU induced interference for real-time monitoring. In this paper, real-time pre-targeting and monitoring methods based ultrasound imaging are proposed to improve accuracy, efficiency and safety of USgHIFU. First, a precise and safe HIFU beam path and focus visualization method based on an ultrasound B-mode imaging is presented. Backscattered signals after HIFU exposure are directly used for generating a HIFU targeting image, in which the HIFU beam path and focus are determined, using coherent beamforming and subsequent echo processing. The proposed method was evaluated with bovine serum albumin (BSA) gel phantoms using a custom-built HIFU treatment system and acoustic intensity of HIFU signal used for targeting was measured and compared with that of FDA regulation. Next, a real-time HIFU interference cancellation method based on pulse inversion (PI) and bandpass filtering (BPF) is presented. After HIFU signals are transmitted with PI sequences, two received signals are added. In the proposed method, odd harmonic components of HIFU interference signals can be removed due to 180° phase difference and remaining even harmonic components are suppressed by BPF. With the BSA gel phantom experiments, the performance of the proposed method was evaluated. Finally, the feasibility of a HIFU induced lesion detection method based on evaluating the amplitude change of photoacoustic (PA) signal is investigated. Since the alteration of molecular structures of coagulated tissues makes optical properties, such as absorption and scattering, become different, the amplitude of PA signals generated from lesions are changed. Moreover, from the in vitro experiments, the optimal wavelength for BSA was determined for detecting HIFU lesions.
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고강도 집속 초음파(HIFU)는 암과 같은 병변 세포를 주변의 정상 조직에 영향을 주지 않으면서 선택적으로 응고 괴사 시킬 수 있는 방법으로서 자궁근종, 간, 그리고 전립선 등 다양한 종류의 암의 치료에 적용되고 있다. HIFU 치료 시, 집속점에서 온도가 수 초 만에 60℃ 이상 상승할 수 있고 inertia cavitation에 의해 불규칙한 형태의 lesion이 형성될 수 있기 때문에 환자의 안전을 위해 효율적인 targeting 및 monitoring 방법이 반드시 필요하다. 현재, 자기 공명 영상(MRI)와 초음파 영상(US)이 치료 유도를 위해 사용되고 있으며 각각을 MRgHIFU와 USgHIFU라고 한다. MRI는 HIFU의 음장을 영상화함으로써 초점의 위치를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 온도의 변화를 관찰할 수 있지만 실시간 영상을 제공하기 어렵다. 반면 USgHIFU는 저렴한 비용으로 실시간 영상을 제공할 수 있는 장점이 있지만, MRgHIFU와 다르게 초점의 위치를 확인할 수 없으며 HIFU 신호에 의한 간섭으로 인해 monitoring 영상의 화질이 저하되는 문제가 있다. 본 논문에서는 USgHIFU의 정확성, 효율성 그리고 안정성을 향상시키기 위한 실시간 targeting 및 monitoring 방법을 제안하였다. 첫째, 초음파 B-mode 영상을 이용한 정확하고 안전한 HIFU 빔 경로 및 초점 영상화 방법을 제안하였다. HIFU에 의해 형성된 음장에서 후방 산란된 초음파 신호는 US 변환자를 통해 수신된 후, 빔 집속 및 에코 프로세싱 과정을 통해 영상으로 구성될 수 있었다. 그 후, 그것으로부터 HIFU의 빔 경로와 초점의 위치를 확인할 수 있었다. Bovine serum albumin (BSA)을 포함하는 겔 팬텀과 custom-built HIFU 시스템을 이용하여 제안된 방법을 평가하였다. 그리고 제안된 방법에 사용된 HIFU 신호의 음향 강도를 측정한 후, FDA에서 제한하고 있는 값과 비교하였다. 다음으로 pulse inversion (PI)과 대역 통과 필터 (BPF) 기반의 실시간 HIFU 간섭 제거 방법을 제안하였다. HIFU 신호를 PI 순서로 송신한 후, 수신된 두 신호를 더하였다. 홀수 차 고조파 성분은 180°위상 차이가 유지되기 때문에 PI에 의해 제거되며, 잔존하는 짝수 차 고조파 성분은 BPF에 의해 억제 되었다. 제안된 방법의 성능은 BSA 겔 팬텀을 이용한 실험을 통해 평가되었다. 마지막으로, 광음향 신호의 진폭 변화에 기반한 HIFU lesion detection 방법의 가능성을 확인하였다. 응고 괴사(coagulation necrosis)된 조직은 그것의 분자적인 구조가 변화하기 때문에 그에 따라 흡수 및 산란과 같은 광학적인 특성이 변화하게 된다. 그 결과, HIFU에 의해 lesion이 형성됨에 따라서 발생하는 광음향 신호의 크기가 다르게 된다. BSA 겔 팬텀을 이용한 in vitro 실험을 통해 제안된 방법의 가능성을 확인할 수 있었고 HIFU lesion detection을 위한 최적의 파장을 결정할 수 있었다.
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