English Title: Sound field modification for treatment time reduction in high intensity focused ultrasound therapy

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Abstract

Die Therapie mit hochenergetischen fokussierten Ultraschallwellen (HIFU, high intensity focused ultrasound) ist eine minimal invasive Methode, Tumorgewebe lokal thermisch zu zerstören. Als Ultraschallquellen werden meist hoch fokussierende Ultraschallwandler verwendet, die nur geringe Ablationsraten zulassen, was bei großen Tumoren zu langen Behandlungszeiten führen kann. Gegenstand dieser Arbeit war es, Möglichkeiten zur Reduktion der Therapiezeit zu untersuchen. Zunächst wurden mittels mathematischer Simulationen Ultraschall-Vorsatzlinsen zur Modifikation eines gegebenen fokussierten Schallfeldes entwickelt. Die zwei besten Linsen wurden aus Polystyrol angefertigt und experimentell untersucht. Hierzu diente ein neues, im Rahmen dieser Arbeit entwickeltes, gewebeähnliches Ultraschallphantom aus einer mit Hühnereiweiß dotierten Polyacrylamidmatrix. In einem weiteren Schritt wurde für eine gegebene klinische HIFU-Therapieeinheit mittels Simulationsrechungen ein optimierter Phased Array Ultraschallwandler konstruiert. Sowohl in den Simulationen als auch experimentell konnte gezeigt werden, dass mit den entwickelten Ultraschalllinsen die Ablationszeiten bis auf ein Fünftel reduziert werden können. Das entwickelte Ultraschallphantom ist transparent und zeigt bei Temperaturen über 67°C sichtbare weiße Koagulationen. Die theoretischen Untersuchungen zum Aufbau eines Phased Array Ultraschallwandlers (Durchmesser 100 mm, Brennweite 88 mm) haben gezeigt, dass eine randomisierte Elementanordnung von 217 Einzelelementen mit einem Elementdurchmesser von 4,5 mm bei einer Frequenz von 1,5 MHz für die Therapie von Mammatumoren in der vorgegebenen Therapieeinheit optimal sind. Die in dieser Arbeit entwickelten Ultraschalllinsen werden zukünftig zur Beschleunigung der HIFU-Therapie von Tumoren der Mamma klinisch eingesetzt. Mit dem transparenten Ultraschallphantom ist ein standardisiertes Hilfsmittel geschaffen worden, das den Vergleich von Simulation und Experiment deutlich vereinfacht. Eine Realisierung des konstruierten Phased Array Wandlers würde die HIFU-Therapieeinheit noch weiter flexibilisieren.

Translation of abstract (English)

High intensity focused ultrasound therapy (HIFU) is a minimal invasive method for local thermal tissue destruction. For most applications, sharply focused transducers with low ablation rates are used, thus the treatment of large tumours is very time-consuming. The aim of this work was to search for possibilities to reduce the treatment time. For the given single-focus transducer thin acoustic lenses for field modification were designed mathematically. Two lenses with the best properties were manufactured out of polystyrene and tested experimentally. Therefore, a new tissue mimicking phantom containing egg white and polyacrylamide was developed. Thereafter, the theoretically optimal phased array transducer for the given HIFU- therapy unit was designed. The simulations and experiments performed showed that the designed lenses can reduce the treatment time to one fifth. After heating the phantom to temperatures above 67°C, coagulation starts causing the heated region to change from optically transparent to opaque, which makes the coagulation process visible. The theoretical analysis concerning the set-up of a phased array transducer (diameter 100 mm, focal length 88 mm) has demonstrated that a randomised order of 217 single elements with a diameter of 4,5 mm at a frequency of 1,5 MHz is optimal for the therapy of breast cancer. The lenses designed in this work will be integrated into clinical use to reduce treatment time during HIFU-therapy of tumors of the breast. Furthermore the created phantom offers the possibility for an easy comparison between simulations and experimental results. Clinical implementation of the designed phased array could offer a more flexible HIFU-therapy application.