Nye ultralydsteknikker til peering inde i benede strukturer

Ultralyd - lyd med frekvenser højere end dem, der kan høres for mennesker - bruges almindeligvis ved diagnostisk billeddannelse af kroppens bløde væv, herunder muskler, led, sener og indre organer. En teknologi kaldet højintensitetsfokuseret ultralyd (HIFU) undersøges også til terapeutiske anvendelser, herunder fjernelse af livmoderfibroider og ødelæggelse af tumorer.

Metoden har begrænsninger, imidlertid, i høj grad fordi knogler i kroppen afstøder, bryde, fordreje og absorbere bølgerne. Selvom de fleste medicinske anvendelser af ultralyd er i stand til at omgå knoklede strukturer, to dele af kroppen er særligt udfordrende:leveren (fordi den for det meste er begrænset i brystkassen) og hjernen (indeholdt i kraniet).

En pakke med ikke -invasive, adaptive fokuseringsteknikker - der gør det muligt at fokusere ultralydsstråler gennem brystkassen og kraniet - vil blive beskrevet under Acoustics '17 Boston, det tredje fælles møde i Acoustical Society of America og European Acoustics Association, der afholdes 25.-29. juni, i Boston, Massachusetts.

Jean-François Aubry, forskningsdirektør ved CNRS (National Center for Scientific Research in France) og en inviteret lektor ved University of Virginia vil forklare, hvordan teknologien bag HIFU ligner, hvordan en optisk linse (som et forstørrelsesglas) fokuserer lys. Her, imidlertid, en akustisk linse bruges til at fokusere flere stråler af ultralydsbølger på interesseområdet - sig f.eks. en levertumor. Strålerne genereres af piezoelektriske transducere, eller "elementer" - enheder, der konverterer en elektrisk strøm til mekanisk stress.

"Tumorablation [destruktion] kan opnås ved at øge vævstemperaturen i målområder, indtil der opnås termisk nekrose - typisk ved at varme vævene op til 60 grader Celsius over en periode på 10 sekunder, "Sagde Aubry. En knogle, imidlertid, har en absorptionskoefficient, der er 10 gange højere end for blødt væv - det vil sige knogle absorberer lydbølger 10 gange mere effektivt end blødt væv - og dette kan føre til overophedning af ribbenene og endda alvorlige forbrændinger på den overliggende hud.

For at forhindre dette, Aubry og kolleger har udviklet en ikke-invasiv "time-reversal" teknik, kaldet DORT-metoden, som fokuserer ultralydsbølger gennem ribbenene ved at drage fordel af billeddannelsesegenskaberne i et multi-element array.

Først, der udsendes en lydimpuls fra hvert element i arrayet, og de tilsvarende tilbagespredte ekkoer fra ribbenene registreres. Ved at analysere backscatteren fra flere elementer, det er muligt at beregne formen på en ultralydsstråle, der vil sonikere mellem ribbenene, helt undgå knoglen.

Ultralyd i hjernen er kompliceret, fordi knoglen i kraniet, ud over at varme op, når der anvendes en ultralydsstråle, forvrænger den stråle, forhindrer det i at blive korrekt fokuseret på det målrettede væv. En løsning er brugen af ​​multi-element arrays i forbindelse med computertomografi (CT) og magnetisk resonansbilleddannelse (MR). CT-baserede simuleringer giver mulighed for et estimat af faseforskydningerne forårsaget af kraniet og arraysne genererer stråler, der korrigerer for disse afvigelser. MR bruges til at guide og overvåge behandlingen. Som Aubry vil beskrive i sin tale, arrays med 1024 elementer bruges nu til behandling af essentiel tremor, Parkinsons rysten og hjernetumorer.

Selvom tilføjelse af flere og flere elementer til disse sonder kan forbedre fokuseringen af ​​signalet, et større antal elementer betyder også større omkostninger. For at komme uden om dette, Aubry og hans kolleger har udviklet og patenteret en linsebaseret transkraniel fokuseringsenhed, der kun bruger ét piezoelektrisk transducerelement, dækket med en 3-D silikone akustisk linse af variabel tykkelse. Dette linsebaserede element, han sagde, svarer til en 11, 000-element transducer med hensyn til dens faseformende evner. Selvom det endnu ikke er i klinisk brug, enkeltelementsystemet kunne bruges til applikationer med lav intensitet, såsom neuromodulation (modulering af neuronal aktivitet) og til at slå lokale og reversible åbninger i blod-hjerne-barrieren; med fremtidige ændringer, Aubry sagde, systemet kunne bruges til at fremkalde tumornekrose.