Universität zu Köln

Strobel, Janina (2024). Development and characterization of a bone phantom for MR-HIFU systems. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In this study, a bone phantom was developed and characterised for quality control of MR guided high-intensity focused ultrasound (MR-HIFU) treatments. High-intensity focused ultrasound (HIFU) is a promising treatment approach based on the completely non-invasive heating of tissue. MR imaging is used to guide and measure the temperature of the ultrasound. The main applications of MR-HIFU are currently the treatment of uterine fibroids, adenomyosis, desmoid tumours and bone metastases. The main advantage of MR-HIFU is the completely non-invasive approach. This makes it a very patient-friendly and low-risk procedure. MR-HIFU treatment has already been approved for many applications, but randomised controlled trials are currently lacking to make this type of treatment even more widespread. Currently, there are several different MR-HIFU systems on the market which are mainly manufactured by the companies Profound Inc. (Mississauga, Canada) and Insightec Corp. (Haifa, Israel). They differ regarding the transducers, software and MR-systems in use. This can lead to challenges, for example in multicentre studies, as the comparability of the individual devices is difficult to predict. For this reason, a bone phantom was developed in this study for the quality control of MR-HIFU devices and treatment methods. The developed bone phantom should be made of a durable material that can withstand repeated treatments with focused ultrasound. In this thesis, a variety of materials was tested, whereas the polymer polyurethane, which is also used to manufacture ultrasound absorbers, was found to be the best candidate. This material was then embedded in a phantom gel consisting of polyacrylamide and exposed to different ultrasound treatments. The heating on the surface of the bone phantom during the ultrasound exposure was measured via MR- thermometry. The reproducibility of the temperature development of the HIFU experiments was tested by means of repeated standardised sonications and measurements over a period of several weeks. This showed a reproducible, continuous heat development. In addition, the influence of different power levels on the heating at the phantom surface and two different approaches to sonication planning were investigated. The two approaches to sonication planning differ regarding the positioning of the focal point and regarding the applied power level and sonication time. A linear relationship between applied energy and heat development was found. The two approaches to sonication planning showed no significant difference regarding the heated volume of the surrounding polyacrylamide gel. The developed bone phantom can be used in the future to calibrate MR-HIFU devices prior to treatments of bone diseases and is therefore an important tool in the implementation of future multicentre studies. The results of the comparison of the treatment planning approaches and the influence of the energy level have only limited significance due to the low sample size of the experiments but can be taken as an indicator for future research. An added focus of this project was the manufacturing of a more realistic shape of the bone phantom. Two different ways of manufacturing a spine phantom were developed.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Entwicklung und Charakterisierung eines Knochenphantoms für MR-HIFU Geräte German
Translated abstract:	Abstract Language In der vorliegenden Studie wurde ein Knochenphantom zur Qualitätskontrolle von MR gesteuerten hoch-intensivem fokussierten Ultraschall (MR-HIFU) Behandlungen entwickelt und charakterisiert. Hoch intensiver fokussierter Ultraschall (HIFU) ist ein vielversprechender Behandlungsansatz, der auf einer komplett nicht-invasiven Erhitzung von Gewebe basiert. Die Steuerung und Temperaturkontrolle des Ultraschalls erfolgen mittels MR-Bildgebung. Die derzeitige Hauptanwendungsgebiete von MR-HIFU sind die Behandlung von Uterusmyomen, Desmoid Tumoren, Knochenmetastasen und der Adenomyose. Derzeit existieren mehrere verschiedene MR-HIFU Systeme, die durch die Firmen Profound Inc, (Mississauga, Canada) und Insightec Corp. (Haifa, Israel) vertrieben werden und sich jeweils durch die verwendeten Schallköpfe, Ansteuerungssoftware und MR-Systeme unterscheiden. Dies kann zu Herausforderungen beispielsweise bei Multicenter Studien führen, da die Vergleichbarkeit der einzelnen Geräte schwer vorherzusagen ist. Aus diesem Grund wurde in dieser Studie ein Knochenphantom zur Qualitätskontrolle von MR-HIFU Geräten und Behandlungsweisen entwickelt. Das entwickelte Knochenphantom sollte aus einem widerstandsfähigen Material sein, das auch wiederholten Behandlungen mit fokussiertem Ultraschall standhält. In dieser Arbeit wurden mehrere Materialien getestet, wobei das Polymer Polyurethan, aus dem auch Ultraschall-Absorber hergestellt werden, sich als am geeignetsten erwies. Dieses Material wurde dann in einem Gel bestehend aus Polyacrylamid eingebettet und verschiedenen Ultraschallbehandlungen ausgesetzt, wobei mittels MR Thermometrie die Erwärmung an der Knochenphantomoberfläche gemessen wurde. Die Reproduzierbarkeit der Temperaturentwicklung bei HIFU-Experimenten wurde mittels wiederholter standardisierter Bestrahlungen und Messungen über einen Zeitraum von mehreren Wochen geprüft. Dabei zeigte sich eine reproduzierbare, kontinuierliche Hitzeentwicklung. Zusätzlich wurden die Erwärmung des Phantoms unter dem Einfluss verschiedener Ultraschallleistungen sowie zwei unterschiedliche Ansätze der Bestrahlungsplanung untersucht. Die beiden Ansätze der Bestrahlungsplanung unterscheiden sich in der Positionierung des Brennpunktes bzw. durch die Vewendung unterschiedlicher Schalleistungen. Es zeigte sich ein linearer Zusammenhang zwischen angewandter Energie und Hitzeentwicklung. Die beiden Ansätze zur Bestrahlungsplanung zeigten keinen signifikanten Unterschied hinsichtlich des abladierten Volumens im angrenzenden Polyacrylamid Gels. Das entwickelte Knochenphantom kann in Zukunft dazu genutzt werden, MR-HIFU Geräte vor Behandlungen von Erkrankungen des Knochens zu kalibrieren und ist daher ein wichtiges Werkzeug in der möglichen Durchführung von Multicenter-Studien. Die Ergebnisse des Vergleichs der Behandlungsplanungsansätze und des Einflusses der Energiestärke haben aufgrund der geringen Anzahl an Wiederholungen der Experimente nur eine bedingte Aussagekraft, können jedoch als Indikator für zukünftige Forschung gewertet werden. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Projekts war die Herstellung von realistischen Formen des Knochenphantoms. Es wurden zwei verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung eines maßstabsgetreuen Wirbelsäulenphantoms entwickelt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Strobel, Janina j.strobel1808@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-732609
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Radiologische Diagnostik
Subjects:	Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language MR-HIFU UNSPECIFIED Bone phantom UNSPECIFIED
Date of oral exam:	7 June 2024
Referee:	Name Academic Title Grüll, H. Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Zarghooni, K. Privatdozent Dr. med. Zabel, B. Privatdodzent Dr. med.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73260