Detecting acoustic cavitation with an imaging approach

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-05-07

Department

Major/Subject

Bioinformaatioteknologia

Mcode

ELEC3016

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

38

Series

Abstract

High intensity focused ultrasound (HIFU) can be used for surgical procedures, such as cancer treatment. In HIFU, medical ultrasound is directed towards a tumor. Cells in the affected area are induced into necrosis due to either thermal or mechanical effects. HIFU can also rely on the combination of both effects. Especially the mechanical effects are caused by a phenomenon called acoustic cavitation. In acoustic cavitation, the formation, growth, and collapse of micron sized gas bubbles is caused by ultrasound in a liquid. When controlled, acoustic cavitation is beneficial for HIFU. However, when uncontrolled or misplaced, it can risk patient safety. Therefore, acoustic cavitation needs to be monitored during HIFU treatment. In this thesis, a literature review was conducted on different imaging methods for detecting acoustic cavitation during HIFU treatment. Several methods for imaging acoustic cavitation have been developed over the years and the aim of this thesis is to investigate the currently available imaging methods for detecting acoustic cavitation and to compare the strengths and weaknesses associated with different approaches. Active cavitation imaging methods are based on sending ultrasound pulses towards a cavitation field and then receiving their echoes. Out of these methods, B-mode imaging is widely used in clinical settings to guide HIFU treatment. Other active imaging methods have also been developed to improve the low frame rate and resolution of B-mode imaging. Among these methods, ultrafast plane wave imaging, Doppler imaging, and pulse inversion imaging appear most promising. A common drawback of the active imaging methods is that they cannot be used while the HIFU beam is active. Passive imaging methods are based on detecting acoustic emissions from cavitation activity and thus they can be used even when the HIFU beam is active. Currently the development of passive imaging methods has focused on increasing accuracy and frame rate. In addition, three-dimensional passive cavitation imaging methods have been developed. 3D imaging methods can be used for more accurate monitoring of the cavitation phenomenon, when compared to 2D methods. Synchrotron X-ray imaging can also be used to image cavitation bubbles. Although X-ray imaging can detect cavitation bubbles with a high sensitivity, a major disadvantage of this method is long imaging times. This, together with the ionizing nature of X-rays, significantly reduces the usability of X-ray synchrotron imaging as a method for guiding HIFU therapy.

Suuritaajuista kohdennettua ultraääntä (engl. high intensity foucsed ultrasound, HIFU) voidaan käyttää esimerkiksi syöpäkasvainten hoidossa. HIFU-hoidossa korkeataajuista ultraääntä kohdennetaan kohti kasvainta. Solut HIFU-hoidon vaikutusalueella menevät kuolioon joko ultraäänen aikaansaamien mekaanisten vaikutusten, lämmönnousun tai näiden molempien seurauksena. Etenkin mekaaniset vaikutukset ovat seurausta akustiseksi kavitaatioksi kutsutusta ilmiöstä. Akustisella kavitaatiolla tarkoitetaan ultraäänen nesteessä aikaansaamaa pienten kaasukuplien samanaikaista muodostumista, kasvua sekä romahtamista. Hallittuna akustinen kavitaatio on HIFU-hoidon kannalta hyödyllinen ilmiö, mutta hallitsemattomana tai väärin paikallistettuna se voi vaarantaa potilaan turvallisuuden. Tämän vuoksi akustista kavitaatiota tulee voida seurata HIFU-hoidon aikana. Tässä työssä tehtiin kirjallisuustutkimus erilaisista kuvantamismenetelmistä, joilla voidaan havaita akustista kavitaatiota HIFU-hoidon yhteydessä. Akustisen kavitaation kuvantamiseen on vuosien aikana kehitetty useita menetelmiä ja tämän työn tarkoituksena on kartoittaa tällä hetkellä lupaavimpia kuvantamismenetelmiä ja vertailla niiden vahvuuksia sekä heikkouksia. Aktiiviset kuvantamismenetelmät perustuvat ultraäänisignaalien lähettämiseen ja kavitaatiokentästä heijastuvien kaikujen havaitsemiseen. Näistä menetelmistä etenkin B-moodi-kuvantaminen on laajassa kliinisessä käytössä HIFU-hoidon ohjauksessa. Myös muita aktiiviseen kuvantamiseen perustuvia menetelmiä on kehitetty B-moodin heikon virkistystaajuuden ja resoluution parantamiseksi. Näistä menetelmistä ultranopea tasoaaltokuvantaminen, Doppler-kuvantaminen, sekä pulssi-inversiokuvantaminen vaikuttavat lupaavimmilta. Aktiivisten kuvantamismetodien yhteisenä heikkoutena on se, ettei niitä voida käyttää samanaikaisesti HIFU-laitteen kanssa. Passiiviset kuvantamismetodit perustuvat akustisesta kavitaatiosta syntyvien äänisignaalien havaitsemiseen, joten niitä voidaan käyttää samanaikaisesti myös HIFU-hoidon kanssa. Toistaiseksi passiivisten kuvantamismenetelmien kehitys painottuu tarkkuuden ja kuvataajuuden nostamiseen. Lisäksi on tutkittu myös passiivisia kuvantamismenetelmiä, joilla voidaan kolmiulotteisesti kuvantaa kavitaatiota. 3D-kuvantamisella voidaan seurata kavitaatioilmiötä tarkemmin, kuin 2D-kuvantamisella. Kavitaatiokuplia voidaan kuvantaa myös synkrotroniröntgenkuvantamisella. Vaikka röntgensäteillä voidaankin havaita kavitaatiokuplia suurella herkkyydellä, on kyseisen metodin heikkoutena pitkät kuvantamisajat. Tämä yhdessä röntgensäteiden ionisoivuuden kanssa on merkittävin este synkrotroniröntgenkuvantamisen käytölle HIFU-hoidon ohjauksessa.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Nieminen, Heikki

Keywords

acoustic cavitation, HIFU, imaging, akustinen kavitaatio, kuvantaminen

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406044078

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC