Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/20.500.14279/26759
Title: Evaluation of a Magnetic Resonance Imaging guided focused ultrasound system for prostate ablation
Authors: Drakos, Theocharis 
Keywords: Prostate cancer;Focused ultrasound;MRI;Tissue-mimicking materials;Absorption coefficient;Absorption coefficient
Advisor: Damianou, Christakis A.
Kasparis, Takis
Pattichis, Constantinos S.
Issue Date: Sep-2021
Department: Department of Electrical Engineering, Computer Engineering and Informatics
Faculty: Faculty of Engineering and Technology
Abstract: Prostate cancer is one of the most prevalent health threats for men worldwide. Although there are successful treatments for prostate cancer, a percentage of cases of men diagnosed with prostate cancer is led to death. Since there is an increasing trend in men being diagnosed with prostate cancer, the development of new treatments with higher successful rates and reduced side effects leading to a better quality of life of men is of utmost importance. In this dissertation, high-intensity focused ultrasound (HIFU) is recommended for the treatment of prostate cancer. The technology was combined with medical robotics and the treatment procedure was guided using Magnetic Resonance Imaging (MRI) which is known to be superior than ultrasound guidance. A 4-degrees of freedom (DOF) endorectal robotic system was 3D-designed and developed to treat prostate cancer at early stage. Prior to the evaluation of the robotic system, agar-based tissue-mimicking materials were developed and characterized so as to mimic human tissue. The effect of agar, silicon dioxide, and evaporated milk concentration on the acoustic and thermal properties of tissue-mimicking materials was investigated. A new tissue-mimicking material containing agar and wood powder was proposed for Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound (MRgFUS) applications. The acoustic, thermal, and MR properties of the agar/wood powder tissue-mimicking material were estimated. Wood powder was found to enhance the absorption and attenuation coefficient of agar-based phantoms. The new developed phantom matched adequately the acoustic and thermal properties of human tissues and was evaluated for MRgFUS thermal protocols. A new method to estimate ultrasonic absorption coefficient of phantoms and tissues is described. The absorption coefficient of the developed phantoms was measured using this new, accurate, and fast technique. The change in absorption coefficient according to the variation of agar, silicon dioxide, and evaporated milk was investigated. The agar was found to best control the absorption coefficient while the increase of agar, silicon dioxide (up to 4 %) and evaporated milk concentration resulted in an increase of the absorption coefficient of agar-based tissue-mimicking materials. The initial evaluation procedure involved the selection and evaluation of the focused transducer. A 3.2 MHz transducer was selected after being evaluated through simulations and experiments in agar-based phantoms and excised tissues. The near-field heating of the transducer was also investigated and a 40 s time delay resulted in safe temperatures in the near-field region. The MR compatibility of the 4-DOF robotic system was tested for MR sequences that are used to obtain MR thermometry data during a treatment. There was an insignificant drop to the signal-to-noise ratio of the MR thermometry images and therefore the 4-DOF robotic device was found to be MR compatible and can be used in MRgFUS prostate cancer therapies. The accuracy of the robotic device of the two computer-controlled axes (X and Θ) was estimated. Αt small linear movements (1 mm) of the X-axis, the maximum error was calculated at 73 μm while at small angular movements (1o) of the Θ-axis, the maximum error was 0.09o. The robotic device is capable of performing multiple sonications with high accuracy. Finally, the robotic system was evaluated in phantoms and excised tissues in a laboratory setting and MRI environment. Discrete and overlapping lesions were produced with variable lesion diameter and length, demonstrating the efficacy of the system to produce reproducible and controllable lesions. The evaluation was completed with the in vivo efficiency of the system, utilizing a rabbit thigh model.
Description: Ο καρκίνος του προστάτη είναι μία από τις πιο διαδεδομένες απειλές για την υγεία των ανδρών παγκοσμίως. Παρόλο που υπάρχουν επιτυχημένες θεραπείες για την αντιμετώπιση του καρκίνου του προστάτη, ένα ποσοστό των περιπτώσεων ανδρών που έχουν διαγνωστεί με καρκίνο του προστάτη οδηγείται στο θάνατο. Δεδομένου ότι υπάρχει μία αυξανόμενη τάση στους άνδρες να διαγιγνώσκονται με καρκίνο του προστάτη, η ανάπτυξη νέων θεραπειών με υψηλότερο ποσοστό επιτυχίας και μειωμένες παρενέργειες που οδηγούν σε καλύτερη ποιότητα ζωής των ανδρών είναι ύψιστης σημασίας. Σε αυτή τη διατριβή, συνιστάται η τεχνολογία υπέρηχου υψηλής έντασης για τη θεραπεία του καρκίνου του προστάτη. Η τεχνολογία συνδυάστηκε με ιατρική ρομποτική και η διαδικασία θεραπείας καθοδηγήθηκε χρησιμοποιώντας μαγνητική τομογραφία η οποία είναι γνωστό ότι είναι ανώτερη από την καθοδήγηση με διαγνωστικούς υπέρηχους. Ένα ενδοπρωκτικό ρομποτικό σύστημα με 4 βαθμούς ελευθερίας σχεδιάστηκε σε τρισδιάστατο λογισμικό και αναπτύχθηκε για τη θεραπεία του καρκίνου του προστάτη σε πρώιμο στάδιο. Πριν από την αξιολόγηση του ρομποτικού συστήματος, αναπτύχθηκαν και χαρακτηρίστηκαν πλασματικά υλικά με βάση την αγαρόζη ώστε να μιμούνται τον ανθρώπινο ιστό. Διερευνήθηκε η επίδραση της αγαρόζης, του διοξειδίου του πυριτίου, και της συγκέντρωσης του εξατμισμένου γάλακτος στις ακουστικές και θερμικές ιδιότητες των πλασματικών υλικών. Ένα νέο υλικό μίμησης ιστού που περιέχει αγαρόζη και σκόνη ξύλου προτάθηκε για εφαρμογές MRgFUS. Υπολογίστηκαν οι ακουστικές, θερμικές, και μαγνητικές ιδιότητες του υλικού μίμησης ιστού αγαρόζης/σκόνης ξύλου. Η σκόνη ξύλου βρέθηκε ότι βελτιώνει τον συντελεστή απορρόφησης και εξασθένησης των πλασματικών υλικών με βάση την αγαρόζη. Το νέο ανεπτυγμένο πλασματικό υλικό ταιριάζει επαρκώς με τις ακουστικές και θερμικές ιδιότητες των ανθρώπινων ιστών και αξιολογήθηκε για θερμικά πρωτόκολλα MRgFUS. Περιγράφεται μία νέα μέθοδος για τον υπολογισμό του συντελεστή απορρόφησης υπερήχων των πλασματικών υλικών και ιστών. Ο συντελεστής απορρόφησης των ανεπτυγμένων πλασματικών υλικών μετρήθηκε χρησιμοποιώντας μία νέα, ακριβή και γρήγορη τεχνική. Διερευνήθηκε η αλλαγή του συντελεστή απορρόφησης σύμφωνα με τη διακύμανση της αγαρόζης, του διοξειδίου του πυριτίου και του εξατμισμένου γάλακτος. Η αγαρόζη βρέθηκε να ελέγχει καλύτερα τον συντελεστή απορρόφησης ενώ η αύξηση της αγαρόζης, του διοξειδίου του πυριτίου (έως 4%) και της συγκέντρωσης του εξατμισμένου γάλακτος οδήγησε σε αύξηση του συντελεστή απορρόφησης των πλασματικών υλικών με βάση την αγαρόζη. Η αρχική διαδικασία αξιολόγησης περιλάμβανε την επιλογή και αξιολόγηση του εστιασμένου μορφοτροπέα. Ένας μορφοτροπέας με συχνότητα 3.2 MHz επιλέχθηκε μετά από αξιολόγηση μέσω προσομοιώσεων και πειραμάτων σε πλασματικά υλικά και ιστούς. Διερευνήθηκε επίσης η θέρμανση σε κοντινό πεδίο εφαρμογής του μορφοτροπέα και η χρονική καθυστέρηση 40 δευτερολέπτων βρέθηκε αρκετή για δημιουργία θερμοκρασιών που δεν επηρεάζουν υγιείς ιστούς στην περιοχή κοντά στο πεδίο εφαρμογής των υπερήχων. Η μαγνητική συμβατότητα του ρομποτικού συστήματος δοκιμάστηκε για αλληλουχίες μαγνητικού τομογράφου που χρησιμοποιούνται για τη λήψη δεδομένων θερμομετρίας MR κατά τη διάρκεια μίας θεραπείας. Υπήρξε μια ασήμαντη πτώση στην αναλογία σήματος ως προς το θόρυβο των εικόνων θερμομετρίας και συνεπώς η ρομποτική συσκευή αποδείχθηκε ότι είναι συμβατή με μαγνητικό τομογράφο για χρήση της τεχνολογίας MRgFUS σε θεραπείες καρκίνου του προστάτη. Υπολογίστηκε η ακρίβεια της ρομποτικής συσκευής των δύο ελεγχόμενων από υπολογιστή αξόνων (X και Θ). Σε μικρές γραμμικές κινήσεις (1 mm) του άξονα X, το μέγιστο σφάλμα υπολογίστηκε στα 73 μm ενώ σε μικρές γωνιακές κινήσεις (1ο) του άξονα Θ, το μέγιστο σφάλμα ήταν 0.09o. Η ρομποτική συσκευή μπορεί να εκτελεί πολλαπλές ριπές υπερήχων με υψηλή ακρίβεια λόγω των μηχανισμών αργής κίνησής της. Τέλος, το ρομποτικό σύστημα αξιολογήθηκε σε πλασματικό υλικό και ιστούς τόσο σε εργαστηριακό περιβάλλον όσο και σε περιβάλλον μαγνητικής τομογραφίας. Διακριτές και αλληλεπικαλυπτόμενες βλάβες παρήχθησαν με μεταβλητή διάμετρο και μήκος αλλοίωσης, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητα του συστήματος για την παραγωγή αναπαραγώγιμων και ελεγχόμενων βλαβών. Η αξιολόγηση ολοκληρώθηκε με την in vivo απόδοση του συστήματος, χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο μηρού κουνελιού.
URI: https://hdl.handle.net/20.500.14279/26759
Rights: Απαγορεύεται η δημοσίευση ή αναπαραγωγή, ηλεκτρονική ή άλλη χωρίς τη γραπτή συγκατάθεση του δημιουργού και κάτοχου των πνευματικών δικαιωμάτων.
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
Type: PhD Thesis
Affiliation: Cyprus University of Technology 
Appears in Collections:Διδακτορικές Διατριβές/ PhD Theses

CORE Recommender
Show full item record

Page view(s) 50

358
Last Week
1
Last month
3
checked on Dec 26, 2024

Download(s)

359
checked on Dec 26, 2024

Google ScholarTM

Check


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons