Impact of treatment trajectory on the thermal ablation rate and biological tissue volumetric lesion during irradiation by shock-wave focusing ultrasonic beam

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Thermal ablation rates and the shapes of volumetric biological tissue lesion are compared in a numerical experiment, in which biological tissue is exposed to pulsed periodic shock-wave high intensity focused ultrasound. The comparison is performed across three different irradiation sequences of discrete foci placed uniformly within the target area.

Full Text

Restricted Access

About the authors

P. A. Pestova

Moscow State University

Author for correspondence.
Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

Physics Faculty

Russian Federation, Moscow

P. V. Yuldashev

Moscow State University

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

Physics Faculty

Russian Federation, Moscow

V. A. Khokhlova

Moscow State University

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

Physics Faculty

Russian Federation, Moscow

M. M. Karzova

Moscow State University

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

Physics Faculty

Russian Federation, Moscow

References

  1. Хилл К.Р., Бэмбер Дж., тер Хаар Г. Ультразвук в медицине. Физические основы применения. Пер. с англ. М.: Физматлит, 2008. 544 с.
  2. Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. М.: Фазис, 2013.
  3. Köhler M.O., Mougenot C., Quesson B. et al. // Med. Physics. 2009. V. 36. No. 8. P. 3521.
  4. Kim Y.S., Keserci B., Partanen A. et al. // Eur. J. Radiol. 2012. V. 81. No. 11. P. 3652.
  5. Mougenot C., Köhler M.O., Enholm J. et al. // Med. Physics. 2011. V. 38. P. 272.
  6. Mougenot C., Salomir R., Palussière J. et al. // Magn. Reson. Med. 2004. V. 52. P. 1005.
  7. Enholm J.K., Köhler M.O., Quesson B. et al. // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2010. V. 57. No. 1. P. 103.
  8. Андрияхинa Ю.С., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 2. С. 1; Andriyakhina Y.S., Karzova M.M., Yuldashev P.V., Khokhlova V.A. // Acoust. Phys. 2019. V. 65. No. 2. P. 141.
  9. Филоненко E.А., Хохлова В.А. // Акуст. журн. 2001. Т. 47. № 4. С. 541; Filonenko E.A., Khokhlova V.A. // Acoust. Phys. 2001. V. 47. No. 4. P. 541.
  10. Пестова П.А., Карзова М.М., Юлдашев П.В. и др. // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 3. С. 250; Pestova P.P., Karzova M.M., Yuldashev P.V. et al. // Acoust. Phys. 2021. V. 67. No. 3. P. 250.
  11. Пестова П.А., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. // Сб. тр. XXXIV сессии РАО. (Москва, 2022). С. 927.
  12. Kreider W., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A. et al. // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2013. V. 60. No. 8. P. 1683.
  13. Karzova M.M., Kreider W., Partanen A. et al. // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2023. V. 70. No. 6. P. 521.
  14. Карзова М.М., Аверьянов М.В., Сапожников О.А., Хохлова В.А. // Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 1. С. 93; Karzova M.M., Averiyanov M.V., Sapozhnikov O.A., Khokhlova V.A. // Acoust. Phys. 2012. V. 58. No. 1. P. 81.
  15. Canney M.S., Khokhlova V.A., Bessonova O.V. et al. // Ultrasound Med. Biol. 2009. V. 36. No. 2. P. 250.
  16. Khokhlova T.D., Canney M.S., Khokhlova V.A. et al. // J. Acoust. Soc. Amer. 2011. V. 130. No. 5. P. 3498.
  17. Rosnitskiy P.B., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A. et al. // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2017. V. 64. No. 2. P. 374.
  18. Maxwell A.D., Yuldashev P.V., Kreider W. et al. // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2017. V. 64. No. 10. P. 1542.
  19. Юлдашев П.В., Хохлова В.А. // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 3. С. 337; Yuldashev P.V., Khokhlova V.A. // Acoust. Phys. 2011. V. 57. No. 3. P. 333.
  20. https://itis.swiss/virtual-population/tissue-properties/database/acoustic-properties.
  21. Sapareto S.A., Dewey W.C. // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1984. V. 10. No. 6. P. 787.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Geometry of the problem: the ultrasound beam is generated by a HIFU array (256 elements with a diameter of 6.6 mm, frequency of 1.2 MHz) and focused into a sample of beef liver tissue (a). The trajectory of a single shock wave with a uniform arrangement of discrete foci (top) and three sequences of moving the emitter focus (bottom; shown by numbers): “spiral” (left), “clinical” (center), “snake” (right) (b).

Download (269KB)
3. Fig. 2. Pressure profiles at the focus (left column), spatial distributions of the power density of thermal sources in the tissue (middle column) and temperature distributions (right column) at the moment of focus movement (20 ms) in the axial xz planes of the beam for (a) the saturation mode (I0 = 15 W/cm2) and (b) the mode with the formation of a developed rupture (I0 = 8 W/cm2). The black contour indicates the region of thermal destruction.

Download (177KB)
4. Fig. 3. Spatial temperature distributions at the end of tissue irradiation along a trajectory with different focus switching sequences: “clinical” (a, d), “spiral” (b, d), “snake” (c, e) for the modes I0 = 8 W/cm2 (left column, a–c) and I0 = 15 W/cm2 (right column, d–e). The black contour indicates the region within which the thermal dose exceeded its threshold value after the sample cooled. The end time of heating, the achieved size of thermal destruction, and the thermal ablation rate are shown on each spatial temperature distribution.

Download (276KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».