HIFU con US. Daniela Origgi e Federica Palorini
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- Geronimo Castellani
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1 HIFU con US Daniela Origgi e Federica Palorini
2 High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) Tecnica minimamente invasiva Sfrutta ultrasuoni focalizzati (effetto lente) Ablazione in situ del tumore, con risparmio dei tessuti antecedenti la zona di trattamento Monitoraggio in tempo reale della terapia, tramite US o RM Trattamento in un unica seduta ma procedura lenta (60 min per una lesione di 3 cm) Effetti collaterali limitati (si sono riscontrate in pochi casi leggere bruciature cutanee) 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 2
3 Ultrasuoni focalizzati sul bersaglio PELLE Necrosi coagulativa nel fuoco (8x2mm) Tumore TARGET (e.g. Fegato) TRASDUTTORE Risparmio dei tessuti che precedono il fuoco 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 3
4 Componenti del sistema JC Haifu Consolle operativa 2. Gantry: rotazione del trasduttore attorno all asse del lettino (x) 3. Generatore e amplificatore ad alta frequenza 4. Rotazione del sistema lungo l asse y (bed tilting) 5. Testata di trattamento combinata (sonda ecografica + trasduttore HIFU) immersa in acqua degassificata 6. Movimento del trasduttore con 6 gradi di libertà (3 rotazionali (60,20,180 ) e 3 traslazionali) 7. Lettino di trattamento 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 4
5 Il sistema Jc Haifu Trasduttore per trattamento HIFU Frequenza: MHz Potenza: W Dimensioni del fuoco: 8x2 mm Intensità nel fuoco: 5-15 kw/cm 2 Differenti trasduttori Lunghezza focale: mm Trasduttore per US imaging Posizione coassiale: 1-8 MHz Intensità nel fuoco: 0.1 W/cm 2 Real time B-Mode Possibilità di color, power e harmonic imaging 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 5
6 Il trattamento HIFU con US Fuoco sull immagine ecografica Operator Control system Movimento lettino e trasduttore Parametri impulso HIFU 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 6
7 Sequenza di trattamento HIFU 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 7
8 Verifica in tempo reale sulle immagini US 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 8
9 Meccanismi di ablazione Effetti termici: conversione dell energia meccanica in calore Dose termica equivalente Dose di riferimento 43 C per 240 min Soglia per necrosi ablativa. Necrosi ablativa t1, t2 tempi di esposizione della cellula alle temperature T1 e T2 R = 0.5 per T> 43 C Effetti termici reversibili Sapareto and Dewey, Int J Radiation Oncology Biol Phys (1948) 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 9
10 Meccanismi di ablazione Cavitazione inerziale Onde elastiche di compressione e decompressione Separazione delle particelle gassose durante la decompressione (microbolle) Oscillazione e collasso rapido con necrosi cellulare dovuta a stress meccanici ed incremento degli effetti termici Kennedy JE, Nature Reviews Cancer (2005) Si raggiungono in brevissimo tempo temperature superiori agli 80 C 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 10
11 Effetti biologici Dipendono dalle proprietà dei tessuti e dalle caratteristiche delle apparecchiature Proprietà acustiche dei tessuti Proprietà termiche dei tessuti Coefficiente di assorbimento Coefficiente di attenuazione Impedenza acustica Conduzione del calore Capacità termica Proprietà del fascio sonoro Potenza Intensità Focalizzazione Durata dell impulso Forza, momento torcente, streaming 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 11
12 Coefficienti di assorbimento Attenzione ai tessuti con elevato assorbimento La frequenza di 1 MHz è un buon compromesso tra l efficacia di penetrazione nei tessuti e il buon assorbimento nel fuoco 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 12
13 Impedenza acustica Un interfaccia tra tessuti con impedenze diverse provoca alterazioni nella propagazione degli A causa del forte assorbimento e dell impedenza significativamente ultrasuoni diversa da quella dei tessuti molli, il fascio non deve investire ossa, polmoni o zone contenenti gas 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 13
14 Potenza e intensità del fascio sonoro Sonicazioni tra i 100 W e i 300 W della durata di 1-3 s Simulazione del fascio ultrasonoro in acqua: Frequenza: 1 MHz Lunghezza focale: 13.4 cm Raggio esterno trasduttore: 10 cm Raggio interno (sonda imaging): 4 cm Potenza totale emessa: 300 W Trasduttore In prima approssimazione: Modello sfera irraggiata (NCRP 74) I 4x10 4 W/cm 2 Si arriva facilmente all ebollizione (100 C) anche per esposizioni di 1s A cui si aggiungono la cavitazione ed effetti non lineari 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 14
15 Report sugli effetti degli US 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 15
16 Verso uno standard di qualità 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 16
17 Parametri da verificare 1. Focalizzazione del fascio 1. Pressione totale del fascio 2. Intensità del fascio 3. Ablazioni in fantoccio piano di trattamento 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 17
18 1. Focalizzazione del fascio ultrasonoro Vetrino in PMMA Visibile con l ecografo (Z~3) Brucia a temperature relativamente basse Verifica pre-trattamento Impostazione corretta del trasduttore Corrispondenza fuoco reale fuoco visualizzato Qualità della bruciatura Problematiche Non riutilizzabile Difficile riproducibilità 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 18
19 1. Focalizzazione del fascio - misure Prova di costanza Stessa struttura qualitativa Variazione nelle aree inferiore inferiore al 5% 300 W - 4 s 70 W - 4 s 400 W - 2 s 100 W - 2 s 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 19
20 1. Focalizzazione del fascio - misure 400W x 3sec 240W x 5sec 1200 J Variabilità nella dimensione delle ablazioni It 0.43 ~ costante Q. Zhang et al. Ultrasound in Med. & Biol (2003) 38W x 32sec A basse intensità Si può evitare la cavitazione Si riduce il rischio di ebollizione Sonicazioni ad energia costante 1400 J Aumenta notevolmente il tempo di esposizione Entra in gioco la vascolarizzazione dei tessuti 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 20
21 2. Potenza del fascio ultrasonoro Bilance per misurare la forza di radiazione Misure effettuate in acqua degassificata Trasduttore estratto dall apparecchiatura Problematiche a intensità elevate Schermatura da bolle Bruciatura del piatto della bilancia Dipendenza forte dalla geometria del campo sonoro 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 21
22 2. Potenza del fascio ultrasonoro Sul sistema Jc Haifu Misure effettuate direttamente sul sistema a 2 cm dal fuoco Bilancia con piatto completamente assorbente Trasduttore focalizzato con buco centrale per sonda ecografica Shou et al., Ultrasonics 44 (2006) P = potenza F = forza c = velocità 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 22
23 2. Stabilità della potenza emessa Verifica semestrale Potenza emessa dal trasduttore vs. DDP del generatore 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 23
24 Power (W) 2. Test curve di calibrazione Trasduttore lunghezza focale 13,4 cm Scostamenti superiori al 15% Ricalibrazione Curva calibrazione Test Voltage (V) 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 24
25 3. Misure di intensità del fascio (idrofoni) Aghi Per intensità < 1500 W/cm 2 Per frequenze tra 1-20 MHz Fibra ottica Misure di pressione Nell approssimazione onde piane: Membrana I p 2 2 c 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 25
26 3. Problematiche ad alta intensità Pressioni elevate produzione di bolle: possono schermare il sensore possono danneggiare la strumentazione Intensità elevate riscaldamento del sensore: Risposta inadeguata o bruciatura Focalizzazione elevata : approssimazione onda piana non valida Problema nel posizionamento dello strumento Armoniche non lineari risposta inadeguata su un ampio spettro di frequenze Saturazione acustica e perdite non lineari assorbimento proporzionale a f 2 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 26
27 3. Misure a bassa intensità Z. Wang et al, Ultrasound Med Biol (2003) Idrofono ad aghi Misure a basse intensità: W /cm 2 nel fuoco Estrapolazione ad alte intensità tramite misure con bilancia: W/cm 2 nel fuoco Misure effettuate in tank 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 27
28 4. Fantocci gel per simulare i tessuti Phantom Gel (ONDACORP ) Poliacrilamide + albumina bovina Opacizzazione a 70 C Densità 1060 kg/m3 Velocità suono 1600 m/s Attenuazione 0,6 db/(cm-mhz) Calore specifico 3850 J/(kg- K) Conducibilità 0,55 W/(cm- K) Il fantoccio è stato sottoposto ad un acquisizione di Risonanza Magnetica 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 28
29 4. Valutazioni quantitative delle ablazioni Acquisizione pesata in T2 Turbo SpinEcho 3D, con voxel isotropico 0,7mm x 0,7mm x 0,7mm. Misura del volume delle ablazioni tramite software di ricostruzione 3D 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 29
30 4. Confronto con simulazioni numeriche In due step: Propagazione dell ultrasuono: equazione KZK Diffusione del calore: equazione del bio-calore di Pennes Problema: Trasduttore molto focalizzato L equazione KZK (non-lineare parabolica) non ha soluzioni semplici Elevate intensità Intervengono anche effetti meccanici difficilmente prevedibili (cavitazione, onde d urto, ) 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 30
31 Ulteriori verifiche Degassificazione dell acqua (conc. O 2 < 4 mg/l) Movimento del lettino Movimento del trasduttore Stabilità della frequenza di emissione Stabilità della potenza emessa Controlli di qualità standard sull ecografo 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 31
32 Prospettive Mappa termica del trattamento con prove in fantoccio gel e confronto con simulazioni numeriche Prove su linee cellulari per valutare l effetto della cavitazione, anche in presenza di liquido di contrasto Simulazioni numeriche per valutare l effetto del trattamento in tessuti complessi 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 32
33 Conclusioni HIFU, tecnica minimamente invasiva promettente: ablazione selettiva del tumore Sono necessari ulteriori studi per arrivare ad ottimizzare il piano di trattamento Importante la valutazione dei parametri fisici del fascio e dei tessuti biologici Al momento sono state eseguite prove preliminari sulla focalizzazione del fascio, sulla potenza totale emessa e su fantoccio gel e sono stati definiti i primi controlli di qualità 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 33
34 GRAZIE 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 34
35 Simulazione del trattamento su immagini CT In fase di studio 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 35
36 APPENDICE 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 36
37 Monitoraggio ecografico Monitoraggio in tempo reale del trattamento A basso costo Strumentazione non dedicata Svantaggi: Non è possibile effettuare una mappa termica del trattamento 21 novembre 11 Corso ECM - " Le macchine ibride: presente e futuro" 37
quale agisce una forza e viceversa. situazioni. applicate a due corpi che interagiscono. Determinare la forza centripeta di un
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