Steuerparameter des hochenergetischen fokussierten Ultraschalls (HIFU) zur Gewebeablation an der Ex-vivo-Niere

Zusammenfassung

Fragestellung: Für den therapeutischen Einsatz der kontaktlosen Thermoablation durch hochenergetischen fokussierten Ultraschall (HIFU) ist eine präzise physikalische Definition der Fokusgröße sowie die Bestimmung der Steuerparameter am Gewebe notwendig. Ziel der Studie war es, die Fokusausdehnung eines neuartigen Ultraschallgenerators zu vermessen und am Ex-vivo-Modell zu überprüfen, in welchem Ausmaß die Gewebeablation durch die variablen Generatorparameter beeinflusst werden können.

Material und Methode: Mit einem Nadelhydrophon wurde die axiale und transversale Verteilung der Schallintensität im Bereich des Fokus vermessen. Am Modell der Ex-vivo-Schweineniere wurde die durch den fokussierten Ultraschall induzierte Gewebenekrose vermessen, wobei Generatorleistungen bis 400 Watt und Pulsdauer bis 8 s appliziert wurden.

Ergebnisse: Die Messung der Intensitätsverteilung ergab eine physikalische Fokusgröße (- 6dB) von 32 × 4 mm. Im Gewebemodell zeigte sich eine scharfe Grenze zwischen Koagulationsnekrose und nicht-denaturiertem Gewebe. Durch sowohl Generatorleistung als auch Pulsdauer konnte das Läsionsausmaß gesteuert werden. Bei einer konstanten Pulsdauer von 2 s. lag die Generatorleistung von 100 Watt unterhalb der Grenzdosis zur Induktion einer reproduzierbaren Läsion. Die Steigerung der Leistung auf 400 Watt erzielte Läsionen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 11,2 × 3 mm. Bei konstanter Gesamtenergie (Generatorleistung × Pulsdauer) vergrößerte sich die Läsion mit Erhöhung der Generatorleistung.

Schlussfolgerung: Unter der Verwendung eines zylindrischen Piezoelements mit Paraboloidreflektor kann bei einer Fokuslänge von 10 cm eine scharf begrenzte, reproduzierbare und anhand von Generatorleistung und Pulsdauer, steuerbare Nekrose im parenchymatösen Gewebe induziert werden. Insbesondere die Generatorleistung erwies sich als geeigneter Steuerparameter zur Induktion definierter Läsionsgrößen.

Abstract

Purpose: Therapeutic application of contactless thermoablation by high-intensity focused ultrasound (HIFU) demands precise physical definition of focal size and determination of control parameters. Our objective was to define the focal expansion of a new ultrasound generator and to evaluate the extent of tissue ablation under variable generator parameters in an ex vivo modell.

Materials and Methods: Axial and transversal distribution of ultrasound intensity in the area of the focal point was calculated by needle hydrophone. The extent of tissue necrosis after focused ultrasound was assessed in an ex vivo porcine kidney model applying generator power up to 400 Watt and pulse duration up to 8 s.

Results: The measurement of field distribution revealed a physical focal size of 32 × 4 mm. Sharp demarcation between coagulation necrosis and intact tissue was observed in our tissue model. Lesion size was kept under control by variation of both generator power and impulse duration. At a constant impulse duration of 2 s, generator power of 100 W remained below the threshold dosis for induction of a reproducible lesion. An increase in power up to 200 W and 400 W, respectively, induced lesions with diameters up to 11.2 × 3 mm.

Constant total energy (generator power × impulse duration) led to a larger lesion size under higher generator power.

Conclusion: It is possible to induce sharply demarcated, reproducible thermonecrosis, which can be regulated by generator power and impulse duration, by means of a cylindrical piezo element with a paraboloid reflector at a focal distance of 10 cm. The variation of generator power was an especially suitable control parameter for the inducement of a defined lesion size.

Schlüsselwörter

hochenergetischer fokussierter Ultraschall - non-invasive Gewebeablation - Thermotherapie - Steuerparameter

Key words

Ultrasonic therapy - thermocoagulation - experimental model - HIFU - control parameters

Literatur

• 1 Fry F J. Intense focused ultrasound in medicine.  European Urology. 1993;  23 (suppl. 1) 2-7
• 2 Haar ter. G R. Therapeutic and surgical applications. In: Hill CR (ed.). Physical principles of medical ultrasonics. Ellis Horwood Limited 1986: 436-461
• 3 Fry W J, Mosberg W H, Barnard J W, Fry F J. Production of focal destructive lesions in the central nervous system with ultrasound.  Journal of Neurosurgery. 1954;  11 471-478
• 4 Fry W J, Barnard J W, Fry F J, Krumins R F, Brennan J F. Ultrasonic lesions in the mammalian central nervous system.  Science. 1955;  122 517-518
• 5 Fry W J, Fry F J. Fundamental neurological research and human neurosurgery using intense ultrasound. IRE Transaction on Medical Electronics 7 (No 3): 166-181
• 6 Lizzi F L, Coleman D J, Driller J, Franzen L A, Jakobiec F A. Experimental ultrasonically induced lesions in the retina, choroid and sclera.  Investigative Ophthalmology and Visual Science. 1978;  17 350-360
• 7 Wolf J S. Evaluation and management of solid and cystic renal masses.  Journal of Urology. 1998;  159 1120-1133
• 8 Vallancien G, Chartier-Kastler E, Bataille N, Chopin D, Harouni M, Bourgaran J. Focused extracorporeal pyrotherapy.  European Urology. 1993;  23 (suppl 1) 48-52
• 9 Köhrmann K U, Michel M S, Marlinghaus E H, Kraut O, Alken P. Entwicklung eines neuartigen Generators zur kontaktlosen Gewebeablation durch hochenergetischen fokussierten Ultraschall: Charakterisierung und Evaluation am Ex-vivo-Modell. Submitted for publication 2000
• 10 Fry F J. Intense focused ultrasound in medicine.  European Urology. 1993;  23 (suppl. 1) 2-7
• 11 Astöm K E, Bell E, Ballantine H T, Heidenlseben E. An experimental neuropathological study of the effects of high-frequency focused ultrasound on the brain of the cat.  Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 1961;  20 (no. 4) 484-520
• 12 Basauri L, Lele P P. A simple method for production of trackless focal lesions with focused ultrasound: statistical evaluation of the effects of irradiation on the central nervous system of the cat.  Journal of Physiology. 1962;  160 (No. 4) 513-534
• 13 Watkin N A, Morris S B, Rivens I H, Haar ter. G R. High-intensity focused ultrasound ablation of the kidney in a large animal model.  Journal of Endourology. 1997;  11 (3) 191-196
• 14 Köhrmann K U, Back W, Bensemann J, Florian J, Weber A, Kahmann F, Rassweiler J, Alken P. The isolated perfused kidney of the pig: new model to evaluate shock wave-induced lesions.  Journal of Endourology. 1994;  8 (2) 105-110