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Roboterunterstützte fokussierte Ultraschalltherapie unter Führung der Magnetresonanztomographie

Krafft, Axel Joachim

English Title: Robotically-assisted focused ultrasound surgery under magnetic resonance imaging guidance

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Abstract

Die fokussierte Ultraschall-(US)-Therapie (FUS) ist ein nicht-invasives Thermotherapieverfahren, bei dem Gewebe präzise zerstört wird. Zur Überwachung von FUS-Eingriffen wird derzeit die Magnetresonanz-(MR)-tomographie eingesetzt, da sie die Messung der induzierten Temperaturänderungen erlaubt. In dieser Arbeit wurde ein neues System für die MR-geführte FUS-Therapie (MRgFUS) entwickelt, das ein robotisches Assistenzsystem mit einem speziellen FUS Applikator kombiniert. Der Applikator mit integrierter FUS-Quelle wird für die Anwendung frei von oben auf die Haut aufgesetzt. Außerdem wurde er mit einer Hochfrequenzspule ausgestattet, um einen bestmöglichen MR-Signalempfang zu gewährleisten. Das kombinierte System wurde in Phantom- und Tierexperimenten evaluiert, wobei sich eine zu bestehenden MRgFUS-Systemen vergleichbare Zielgenauigkeit von 2-3 mm zeigte. Im Gegensatz zu existierenden Systemen sind allerdings mit dem vorgestellten System neuartige flexiblere Zugangswege für die MRgFUS-Behandlung am Patienten realisierbar. Für die optimierte Überwachung einer MRgFUS-Behandlung wurde im zweiten Teil der Arbeit eine neue MR-Temperaturbildgebungstechnik (Crushed Rephased Orthogonal Slice Selection, CROSS) basierend auf der Temperaturabhängigkeit der Protonresonanzfrequenz (PRF) implementiert. Konventionelle Messtechniken für die PRF-Thermometrie weisen erhebliche Totzeiten auf. Diese Totzeiten wurden genutzt, um durch eine Verschachtelung der Bildaufnahme simultan zwei orthogonale Bildschichten aufzunehmen. Mit Simulationen und Vergleichsmessungen wurde die generelle Funktionalität der CROSS-Technik demonstriert. Im Tierversuch konnten mit der CROSS-Sequenz Temperaturänderungen einer FUS-Behandlung mit einer Genauigkeit von 4 K detektiert werden. Die CROSS-Technik erreicht hierbei eine zeitliche Verbesserung von 40 % gegenüber konventionellen Techniken und gestattet zusätzlich eine Beobachtung des Temperaturfokus simultan in drei Raumrichtungen.

Translation of abstract (English)

Focused ultrasound (US) surgery (FUS) is a precise non-invasive tool to thermally destroy pathogenic tissue. FUS-therapy highly benefits from magnetic resonance (MR) imaging guidance as MR-imaging allows for continuous temperature monitoring techniques. This work presents a novel setup for MR-guided FUS-therapy (MRgFUS), which combines a robotic assistance system and a dedicated FUS-applicator. For treatment, the applicator featuring an integrated FUS-emitter and a customized radiofrequency coil for optimal MR signal reception can be coupled from above to the targeted region. The combined setup was evaluated in phantom and animal experiments. A targeting precision of 2-3 mm was found comparable to existing MRgFUS-systems. In contrast to such systems, the proposed setup enables flexible ways of treatment access in MRgFUS-therapy. To optimize MRgFUS-monitoring, a novel MR-temperature mapping technique (Crushed Rephased Orthogonal Slice Selection, CROSS) on the basis of the temperature dependence of the proton resonance frequency (PRF) was implemented in the second part of this work. Conventional imaging strategies for PRF-thermometry exhibit extensive dead times. The CROSS-technique exploits these dead times for an interleaved acquisition strategy of two orthogonal temperature maps. Simulations and phantom experiments proved the general functionality of the CROSS-technique. In an animal experiment, CROSS could be used to detect temperature changes during FUS-treatment with a precision of 4 K. Compared to conventional imaging techniques, CROSS improves the temporal resolution by 40 % and allows for simultaneous temperature monitoring in three spatial directions.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 23 July 2010
Date Deposited: 29 Jul 2010 11:07
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: NMR-Tomographie, Ultraschalltherapie, Thermometrie, Bilderzeugung, Bildgebendes Verfahren, Assistenzsystem, Wärmetherapie
Uncontrolled Keywords: MRT , Interventionelle MRT , MRT-Thermometrie , MRT-geführte fokussierte Ultraschalltherapie, MRgFUSMRI , Interventional MRI , MRI-Thermometry , MRI-guided focused ultrasound surgery , MRgFUS
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