Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hình ảnh bóng tối trong việc hình thành sóng siêu âm tập trung tại các cấu trúc giống xương
Tóm tắt
Bối cảnh: Mặc dù có rất nhiều tài liệu về siêu âm hội tụ cường độ cao trong y tế (HIFU), vẫn còn nhiều khoảng trống kiến thức liên quan đến siêu âm điều trị trong sự hiện diện của các trở ngại bằng xương. Đặc biệt, tài liệu về hình ảnh chi tiết của sự tán xạ sóng siêu âm tại các cấu trúc xương để xác thực các mô hình số vẫn còn thiếu. Mục tiêu: Nghiên cứu thực nghiệm sự phân bổ năng lượng siêu âm trong các khu vực xung quanh các trở ngại giống xương phẳng và cong. Phương pháp: Phương pháp hình ảnh dựa trên bóng tối được sử dụng để hình dung sự lan tỏa của sóng siêu âm trong các thí nghiệm trong bể nước trong phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm được thực hiện không có trở ngại, với sự trở ngại một phần khác nhau, và với sự trở ngại hoàn toàn bởi các cấu trúc giống xương. Ngoài ra, các phép đo bằng hydrophone và mô phỏng số được thực hiện cho các cấu hình trở ngại bằng xương tương tự, và các kết quả được so sánh. Kết quả: Kỹ thuật bóng tối tạo ra các hình ảnh độ phân giải cao về sự truyền sóng và sự phản xạ từ các cấu trúc giống xương. Có sự tương đồng tốt giữa các phát hiện thực nghiệm và các kết quả số. Đặc biệt, các phép đo bằng hydrophone khớp chặt chẽ với dữ liệu mô phỏng cho cả các trường hợp bị cản trở và không bị cản trở. Ngoài ra, các hình ảnh bóng tối xác nhận chất lượng dữ liệu mô phỏng và các phép đo bằng hydrophone. Kết luận: Nhìn chung, kết quả của công việc này cho thấy tính hữu ích của hình ảnh bóng tối trong việc phát triển và đánh giá các phương pháp điều trị mới trong lĩnh vực siêu âm điều trị.
Từ khóa
#siêu âm #HIFU #tán xạ sóng #cấu trúc xương #hình ảnh bóng tốiTài liệu tham khảo
Ferrara K, Pollard R, Borden M (2007) Ultrasound microbubble contrast agents: fundamentals and application to gene and drug delivery. Annu Rev Biomed Eng 9:415–447. https://doi.org/10.1146/annurev.bioeng.8.061505.095852
Foley JL, Vaezy S, Crum LA (2007) Applications of high-intensity focused ultrasound in medicine Spotlight on neurological applications. Appl Acoust 68(3):245–259
Roberts WW, Hall TL, Ives K, Wolf JS Jr, Fowlkes JB, Cain CA (2006) Pulsed cavitational ultrasound: a noninvasive technology for controlled tissue ablation (histotripsy) in the rabbit kidney. J Urol 175 (2):734–738
Ter Haar G (1999) Therapeutic ultrasound. European Journal of ultrasound 9 (1):3–9. https://doi.org/10.1016/S0929-8266(99)00013-0
Kennedy JE (2005) High-intensity focused ultrasound in the treatment of solid tumours. Nat Rev Cancer 5 (4):321–327. https://doi.org/10.1038/nrc1591
Zhou YF (2011) High intensity focused ultrasound in clinical tumor ablation. World J Clin Oncol 2(1):8. https://doi.org/10.5306/wjco.v2.i1.8
Wang Z, Komatsu T, Mitsumura H, Nakata N, Ogawa T, Iguchi Y, Yokoyama M (2017) An uncovered risk factor of sonothrombolysis: substantial fluctuation of ultrasound transmittance through the human skull. Ultrasonics 77:168–175. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2017.02.012
Dromi S, Frenkel V, Luk A, Traughber B, Angstadt M, Bur M, Poff J, Xie J, Libutti SK, Li KC et al (2007) Pulsed-high intensity focused ultrasound and low temperature–sensitive liposomes for enhanced targeted drug delivery and antitumor effect. Clin Cancer Res 13(9):2722–2727. https://doi.org/10.1158/1078-0432.CCR-06-2443
Harnof S, Zibly Z, Shay L, Dogadkin O, Hanannel A, Inbar Y, Goor-Aryeh I, Caspi I (2014) Magnetic resonance-guided focused ultrasound treatment of facet joint pain: summary of preclinical phase. J Ther Ultrasound 2(1):9
Choi JW, Lee JY, Hwang EJ, Hwang I, Woo S, Lee CJ, Park EJ, Choi BI (2014) Portable high-intensity focused ultrasound system with 3d electronic steering, real-time cavitation monitoring, and 3d image reconstruction algorithms: a preclinical study in pigs. Ultrasonography 33(3):191
Ter Haar G, Coussios C (2007) High intensity focused ultrasound: physical principles and devices. Int J Hyperther 23(2):89–104
Gélat P, Ter Haar G, Saffari N (2014) HIFU scattering by the ribs: constrained optimisation with a complex surface impedance boundary condition. In: Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, https://doi.org/10.1088/1742-6596/498/1/012004, vol 498, p 012004
Brown M, Safisamghabadi M, Schaal C, Durgesh V (2018) Visualization of the scattering of focused ultrasonic waves at solid-fluid interfaces. Proc SPIE 10600:10600–10600–10. https://doi.org/10.1117/12.2296744
O’Neill TP, Winkler AJ, Wu J (1994) Ultrasound heating in a tissue-bone. Ultrasound Med Biol 20 (6):579–588
Nell DM, Myers MR (2010) Thermal effects generated by high-intensity focused ultrasound beams at normal incidence to a bone surface. J Acoust Soc Am 127(1):549–559
Malcolm A, Ter Haar G (1996) Ablation of tissue volumes using high intensity focused ultrasound. Ultrasound Med Biol 22(5):659–669
Long T, Amin V, McClure S, Robert R, Wu L, Thompson R, Ryken T (2007) P3c-8+ techniques for real-time monitoring and control for hifu (high intensity focused ultrasound) ablationin porcine brains in vitro studies. In: 2007 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, pages 1788–1791. IEEE, New York
Enholm JK, Kohler MO, Quesson B, Mougenot C, Moonen CT, Sokka SD (2010) Improved volumetric mr-hifu ablation by robust binary feedback control. IEEE Trans Biomed Eng 57(1):103–113
Gao H, Gu ZM, Liang B, Zou XY, Yang J, Yang J, Cheng JC (2016) Acoustic focusing by symmetrical self-bending beams with phase modulations. Appl Phys Lett 108(7):073501
Mohanty K, Mahajan S, Pinton G, Muller M, Jing Y (2018) Observation of self-bending and focused ultrasound beams in the megahertz range. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 65(8):1460–1467
Kaufman JJ, Luo G, Siffert RS (2008) Ultrasound simulation in bone. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 55(6):1205–1218. ISSN 0885-3010, https://doi.org/10.1109/TUFFC.2008.784
Padilla F, Bossy E, Haiat G, Jenson F, Laugier P (2006) Numerical simulation of wave propagation in cancellous bone. Ultrasonics 44:e239–e243. ISSN 0041-624X. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2006.06.042, Proceedings of Ultrasonics International (UI’05) and World Congress on Ultrasonics (WCU)
Pereira D, Haiat G, Fernandes J, Belanger P (2017) Simulation of acoustic guided wave propagation in cortical bone using a semi-analytical finite element method,. J Acoust Soc Am 141(4):2538–2547. https://doi.org/10.1121/1.4979695
Haïat G, Naili S, Grimal Q, Talmant M, Desceliers C, Soize C (2009) Influence of a gradient of material properties on ultrasonic wave propagation in cortical bone: Application to axial transmission. J Acoust Soc Am 125(6):4043–4052. https://doi.org/10.1121/1.3117445
Haïat G, Padilla F, Peyrin F, Laugier P (2008) Fast wave ultrasonic propagation in trabecular bone: Numerical study of the influence of porosity and structural anisotropy. J Acoust Soc Am 123(3):1694–1705. https://doi.org/10.1121/1.2832611
Pinton G, Aubry JF, Bossy E, Muller M, Pernot M, Tanter M (2012) Attenuation, scattering, and absorption of ultrasound in the skull bone. Med Phys 39(1):299–307. https://doi.org/10.1118/1.3668316
Bossy E, Laugier P, Peyrin F, Padilla F (2007) Attenuation in trabecular bone A comparison between numerical simulation and experimental results in human femur. J Acoust Soc Am 122(4):2469–2475
Mézière F, Muller M, Bossy E, Derode A (2014) Measurements of ultrasound velocity and attenuation in numerical anisotropic porous media compared to Biot’s and multiple scattering models. Ultrasonics 54(5):1146–54. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2013.09.013
Bessonova OV, Wilkens V (2013) Membrane hydrophone measurement and numerical simulation of hifu fields up to developed shock regimes. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 60(2):290–300
Feng F, Mal A, Kabo M, Wang JC, Bar-Cohen Y (2005) The mechanical and thermal effects of focused ultrasound in a model biological material. J Acoust Soc Am 117(4):2347–2355. https://doi.org/10.1121/1.1873372
Yuldashev PV, Kreider W, Sapozhnikov OA, Farr N, Partanen A, Bailey MR, Khokhlova V (2012) Characterization of nonlinear ultrasound fields of 2d therapeutic arrays. In: IEEE International Ultrasonics Symposium: [proceedings]. IEEE International Ultrasonics Symposium. NIH Public Access, https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2012.0231, vol 2012, p 1
Christensen D, Almquist S (2013) Incorporating tissue absorption and scattering in rapid ultrasound beam modeling. In: Energy-based Treatment of Tissue and Assessment VII. International Society for Optics and Photonics, https://doi.org/10.1117/12.2008021, vol 8584, p 85840X
Qiao S, Elbes D, Boubriak O, Urban J, Coussios C, Cleveland R (2019) Delivering focused ultrasound to intervertebral discs using time-reversal. Ultrasound in medicine & biology
Omura R, Shimazaki Y, Yoshizawa S, Umemura SI (2011) Quantitative measurement of focused ultrasound pressure field using subtraction shadowgraph. Jpn J Appl Phys 50(7S):07HC07. https://doi.org/10.1143/jjap.50.07hc07
Kudo N (2015) A simple technique for visualizing ultrasound fields without schlieren optics. UltrasounD Med Biol 41(7):2071–2081. https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2015.03.004
Neumann T, Ermert H (2006) Schlieren visualization of utlrasonic waves with high spatial resolution. Ultrasonics 44:1561–1566. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2006.05.209
Settles GS, Hargather MJ (2017) A review of recent developments in schlieren and shadowgraph techniques. Meas Sci Technol 28(4):042001. https://doi.org/10.1088/1361-6501/aa5748
Pitts TA, Greenleaf JF (2000) Three-dimensional optical measurement of instantaneous pressure. J Acoust Soc Am 108(6):2873–2883
Schneider B, Shung KK (1996) Quantitative analysis of pulsed ultrasonic beam patterns using a schlieren system. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 43(6):1181–1186
Settles G (2001) Schlieren and Shadowgraph Techniques: Visualizing Phenomena in Transparent Media. Springer, Berlin. ISBN 978-3-540-66155-9. https://doi.org/10.1007/978-3-642-56640-0
Greenspan M, Tschiegg CE (1959) Tables of the speed of sound in water. J Acoust Soc Am 31(1):75–76. https://doi.org/10.1121/1.1907614
Schaal C, Durgesh V (2018) Investigation of the scattering of focused ultrasonic waves at bones. In: Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition – IMECE 2018, Pittsburgh, PA, USA. https://doi.org/10.1115/IMECE2018-87133