Maintaining Phase Coherence of a Novel Therapeutic Ultrasound Device Consisting of an Array of Multi-Element Transducers within a Large Volume of Interest

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2024-08-19

Department

Major/Subject

Computer Science

Mcode

SCI3042

Degree programme

Master’s Programme in Computer, Communication and Information Sciences

Language

en

Pages

58

Series

Abstract

Sound waves are propagating disturbances in density and pressure within a medium. Sound waves oscillating at or above the frequency of 20 kHz, which is the upper audible limit of a human ear, are referred to as ultrasound waves. Ultrasound waves are able to travel through tissues without causing negative effects. When the intensity of the ultrasound waves is increased, the waveform becomes non-linear. This effect significantly increases the absorption of ultrasound, which in turn enhances the generation of heat in the medium. Multiple sources of ultrasound can be focused such that constructive wave interference occurs at the focal position, which increases the amplitude of the resulting waveform. This is referred to as high-intensity focused ultrasound (HIFU). HIFU devices can be utilized in thermal ablation therapies. The working principle of thermal ablation is the controlled destruction of tissue due to a rise in tissue temperature. Tissue in the ultrasound beam path is spared since majority of the heating occurs at the target location, such as a tumour. Since HIFU devices heavily rely on constructive wave interference to achieve high intensities, correct phasing of the ultrasound waves is essential. Maintaining phase coherence becomes a challenge when the sources are not fixed in place relative to the target location, which occurs when using multiple transducers. The device introduced in this thesis is a part of an ongoing clinical development project by Profound Medical. The aim of this thesis is to develop a mathematical model for transducer positioning, create a phase calibration that compensates for imperfections in the system and develop algorithms that utilize the model and calibration to maintain phase coherence within a large volume of interest. To verify the functionality of the model and algorithms, measurements are taken with a hydrophone and analysed. Transducer element phases are measured at randomized positions within a large target volume. In addition, pressure field measurements are performed and analyzed.

Ääneksi kutsutaan aaltomaisesti etenevää muutosta väliaineen tiheydessä ja paineessa. Ultraääneksi kutsutaan ääntä, jonka taajuus on korkeampi kuin 20 kHz, mikä on ihmisen kuuloalueen yläraja. Ultraääniaallot pystyvät kulkemaan kudoksen läpi vahingoittamatta kudosta. Kun ultraäänen intensiteettiä kasvatetaan, aaltomuoto muuttuu epälineaariseksi, jolloin se absorboituu huomattavasti voimakkaammin väliaineeseen. Absorption seurauksena väliaineen lämpötila kasvaa. Useita ultraäänen lähteitä voidaan keskittää yhteen pisteeseen, jolloin konstruktiivinen interferenssi kasvattaa syntyvän aaltomuodon amplitudia. Kyseistä menetelmää kutsutaan korkeatehoiseksi fokusoiduksi ultraääneksi (HIFU). HIFU-laitteita pystytään hyödyntämään ultraäänileikkauksissa. Ultraäänileikkauksissa kudos pyritään tuhoamaan nostamalla sen lämpötilaa. Fokusoidun ultraäänen avulla valtaosa lämpenemisestä tapahtuu ääniaaltojen leikkauspisteessä, jolloin hoito kohdistuu vain kasvaimen alueelle ja terve kudos säästyy. Koska HIFU-laitteet hyödyntävät konstruktiivista interferenssiä intensiteetin kasvattamiseksi, ultraääniaaltojen on oltava samassa vaiheessa. Ultraääniaaltojen vaiheistuksesta tulee monimutkaisempaa, kun ääntä lähettävien elementtien etäisyydet ääniaaltojen leikkauspisteeseen muuttuvat. Ongelma esiintyy laitteissa joissa hyödynnetään useita liikkuvia ultraäänilähettimiä. Tässä työssä esitetty laite on osa Profound Medicalin kliinistä kehitysprojektia. Tämän diplomityön tarkoitus on kehittää matemaattinen malli ultraäänilähettimien liikkeiden mallintamiseen, luoda vaihekalibraatio ja algoritmeja, jotka hyödyntävät mallia ja kalibraatiota vaihekorjauksen laskemiseen. Toteutettujen algoritmien toimivuus testataan mittaamalla hydrofonilla elementtien vaiheet satunnaisissa paikoissa. Tämän lisäksi mitataan algoritmien tuottamaa painekenttää.

Description

Supervisor

Nieminen, Heikki

Thesis advisor

Vuorinen, Reko

Keywords

high-intensity focused ultrasound, HIFU, MR-HIFU, multi-transducer, phase coherence

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202408255670

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI