Characterisation of biological tissue: measurement of acoustic properties for ultrasound therapy

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Reis, Sara Ferreira
Data de Publicação: 2013
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/9598
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013
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spelling Characterisation of biological tissue: measurement of acoustic properties for ultrasound therapyCancroHigh Intensity Focused Ultrasound (HIFU)UltrassomPropriedades acústicasAtenuaçãoVelocidade do somNão-linearidadeTeses de mestrado - 2013Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013O fígado é um local frequente de ocorrência de tumores primários e secundários (do intestino, colo-rectal e cancro do estômago). A incidência de cancro do fígado a nível mundial é mais do que um milhão de casos por ano. O cancro no fígado mais comum encontrado na prática clínica são as metástases hepáticas que, juntamente com o carcinoma colo-rectal são os tipos histológicos mais predominantes. O cancro do fígado primário contribuiu com mais de 21 mil novos casos e causou 18.000 mortes nos Estados Unidos em 2008. O carcinoma hepatocelular (HCC) é o cancro primário de fígado mais comum, com uma incidência global estimada de mais de meio milhão de novos casos por ano e é a terceira maior causa de mortes por cancro em todo o mundo. Sem tratamento específico, o prognóstico é muito pobre, e as taxas de sobrevivência médias para pacientes com tumores iniciais e avançados são 6-9 meses e 1-2 meses, respectivamente. O HCC recorrente ocorre em 50% a 80% dos pacientes em 5 anos após a cirurgia de ressecção, a maioria ocorrendo no prazo de 2 anos. Após o tratamento para o HCC, 50% a 90% das mortes no pós-operatório é devido a doença recorrente. A hepatotomia (ressecção hepática) é viável apenas em 10-20% dos casos, e está associada a uma mortalidade operatória de até 5%, no entanto pode atingir taxas de sobrevivência de 5 anos em cerca de 40%. A alternativa actual à cirurgia é a combinação com quimioterapia, mas esta está associada uma taxa de resposta de 20-50%, e taxa de sobrevivência global relativamente curta (12-18 meses). Como resultado, têm sido feitos esforços consideráveis no sentido de proporcionar uma alternativa minimamente invasiva à cirurgia para estes doentes. Essas alternativas actualmente incluem a ablação por radiofrequência, crioterapia e terapia com laser. A única terapia local proposta não-invasiva até à data é High Intensity Focused Ultrasound (HIFU). HIFU é um procedimento não-invasivo que por meio de uma fonte extracorporal de ultra-sons de alta intensidade concentrada induz a necrose por coagulação total de um tecido alvo específico, sem necessidade de exposição cirúrgica ou a inserção de instrumentos no interior da lesão. A intenção do tratamento por HIFU é elevar a temperatura de uma região de tecido delimitada e isolada acima dos 55_C e manter essa temperatura durante 1 segundo ou mais. Isto, por sua vez induz a necrose por coagulação e morte celular. Os pequenos comprimentos de onda (mm) do ultra-som em frequências da ordem dos megahertz (MHz) em tecidos moles permitem que ele seja focado em pequenos volumes clinicamente relevantes. O perigo da maioria dos tratamentos ablativos, onde as células cancerígenas são destruídas pelo aumento da sua temperatura, é que o tecido saudável pode ser danificado. Com HIFU, a energia pode ser focada num volume muito pequeno e bem definido, fazendo com que a passagem do ultra-som através dos tecidos intervenientes, não cause nenhum efeito cumulativo aparente para esses tecidos. HIFU foi aprovado para terapias clínicas de tumores sólidos ou para outras doenças do fígado, rim, pâncreas, recto, próstata, mama, osso, pele e do útero. Em vários centros no mundo, o HIFU está a ser utilizado clinicamente para o tratamento de tumores sólidos (tanto malignos e benignos), incluindo os da próstata, do fígado, da mama, do rim, do osso e do pâncreas, e sarcoma de tecido mole. Tanto o cancro de fígado primário (carcinoma hepatocelular) e metástases hepáticas de cancros do cólon e estômago já foram tratados com HIFU. Apesar dos sucessos clínicos iniciais com tratamentos extracorpóreos de tumores abdominais, ainda existem alguns limites a ultrapassar – especialmente no que diz respeito ao tratamento do fígado, pâncreas e rins – antes de esta técnica poder ser utilizada de forma segura e rotineiramente no interior do corpo. Outra dificuldade importante a ter em conta é o facto de o comprimento do percurso nos tecidos que sobrepõem estes orgãos ser longo e, em geral, a sua composição ser pouco homogénea. Por exemplo, o tratamento terá que transmitir energia através da caixa torácica, o que pode aumentar o risco de queimaduras na pele e danos à superfície das costelas. Do mesmo modo, uma vez que o paciente respira, os efeitos desse movimento durante o tratamento precisa de ser explorado. Podem também ocorrer efeitos de cavitação como resultado do tratamento, e estes efeitos devem ser também considerados. Finalmente, actualmente ainda não existe uma técnica de imagem em tempo real completamente eficaz para a monitorização do tratamento, sendo este um requisito necessário para que a técnica seja utilizada e aplicada com sucesso. Para resolver estas questões, foi desenvolvido um projecto financiado pelo Engineering & Physical Sciences Research Council intitulado "THIFU - Trans-Costal High Intensity Focused Ultrasound" que tem como principal objectivo o desenvolvimento de uma nova técnica para a utilização de HIFU no tratamento de cancros na zona abdominal superior. O objectivo global do programa é desenvolver soluções práticas para esses problemas. Um dos objectivos com o projecto THIFU é a optimização da ablação do tecido no volume alvo e a minimização dos efeitos em estruturas críticas que sobrepõem o local onde queremos administrar a energia ultra-sónica, tais como a pele e a caixa torácica. O planeamento exacto do tratamento e o seu monitoramento bem como a própria administração do mesmo são fundamentais para isso. A fim de melhorar o planeamento e a administração do tratamento, é necessária proceder a uma caracterização precisa das propriedades físicas do tecido. Para isso, é indispensável uma compreensão completa dos campos acústicos, das propriedades dos tecidos no caminho de propagação do ultrassom e os mecanismos pelos quais a destruição dos tecidos é induzida pelo feixe de HIFU. Desta forma, é também importante conhecer a interacção do feixe de ultra-som com os diferentes tipos de tecido, com o fim de criar com precisão um plano de tratamento para a entrega da energia ultra-sónica no foco desejado. Assim, um dos objectivos deste projecto é obter uma estimativa precisa das propriedades acústicas dos tecidos-alvo (por exemplo, a velocidade do som e o coeficiente de atenuação). Esta informação é depois utilizada para determinar a absorção de energia e de transmissão da energia ultra-sónica nos tecidos-alvo. Estes resultados serão usados como parâmetros input para o software de planeamento de tratamento desenvolvido no projecto THIFU. O objectivo do trabalho descrito nesta dissertação foi abordar os dessafios de medir as propriedades acústicas (velocidade do som, coeficiente de atenuação e o coeficiente de não-linearidade) dos tecidos moles - mais concretamente em amostras de fígado humano obtidas logo após uma hepatotomia - que são atravessados pelo feixe HIFU durante o tratamento, com um sistema \all in one" que permite avaliar estas propriedades numa única amostra e num curto espaço de tempo, evitando assim a degradação das amostras. Foi feita uma investigação inicial com o intuito de validar o sistema all in one construído para o efeito com materiais considerados de referência (as suas propriedades acústicas são bastante conhecidas), como por exemplo phantoms em gel e óleo de rícino. Foram também recolhidos dados referentes a amostras de tecidos de origem animal e mais tarde procedeu-se à quantificação das propriedades acústicas de tecido hepático humano. Os valores obtidos com um líquido de referência { óleo de rícino { medido no sistema all-in-one a 23_C estão de acordo com valores publicados por outros estudos. Foram analisadas seis amostras de fígado humano de diferentes patologias. Um total de três tipos de tecidos foi estudado: saudável/normal, cancerígeno e cirrótico. Os resultados obtidos para as amostras de tecido de fígado humano, não mostram clara diferenciação entre o tumor e tecido normal e grande variação entre as amostras. Devido ao tamanho pequeno da amostra não é possível retirar conclusões estatisticamente significativas e precisas nesta fase. No entanto, os resultados gerais mostram que o sistema all-in-one é capaz de determinar estes parâmetros em amostras de referência - como phantoms de criogel e amostras de óleo de rícino - amostras de tecido animal ex-vivo e de tecido hepático humano. Trabalho futuro irá envolver a optimização de certos factores referentes aos materiais e métodos utilizados bem como melhoramentos nos protocolos de preparação das amostras, estudos adicionais com um tamanho de amostra maiores, estudo destas propriedades nos tecidos entre um intervalo de temperaturas relevante para a técnica de HIFU, etc. A dissertação está dividida em 5 capítulos. O primeiro capítulo consiste numa introdução ao tema abordado e a descrição dos principais conceitos inerentes ao trabalho desenvolvido. O segundo capítulo descreve os materiais e metodologias utilizadas. No terceiro e quarto capítulo encontram-se descritos os principais resultados e as conclusões, respectivamente.High-intensity focused ultrasound (HIFU) provides a potential noninvasive alternative to conventional therapies. In spite of early clinical successes with extracorporeal treatments of abdominal tumours, there are some remaining challenges, especially related to access to the liver, pancreas and kidney. This thesis addresses the challenges of measuring the acoustic (sound speed, attenuation and non-linearity coefficients) properties of soft tissues that lie within the HIFU beam during treatment. Differences in these tissue properties may affect the delivery of thermal therapies, but may also provide a basis for their monitoring with ultrasound. Novel measurement techniques have been developed and applied in the construction of an "all-in-one" tissue characterisation system that allows for the determination of all these parameters in the same region of a single sample. The finite amplitude insertion substitution (FAIS) method was used to obtain the attenuation coefficient and speed of sound. Nonlinearity coefficients were measured using an adapted version of the FAIS method. The attenuation coefficient, sound speed and the acoustic nonlinearity parameter B/A were determined for explant human liver tissue samples with different pathological characteristics. A total of three tissue types were studied: healthy/normal, tumorous and cirrhotic. The results obtained for the human liver tissue samples show no clear differentiation between tumour and normal tissue and big variation between samples. However, as a result of the small sample size and no clear pattern observed, it is not statistically possible to draw accurate and statistically significant conclusions at this stage.The overall results show that the system is able to determine these parameters in reference samples such as cryogel phantoms and castor oil samples, animal ex-vivo tissue and explant human liver tissue. Future studies with a bigger sample size will be required in order to validate the system and also explore thoroughly the relationship between the acoustic properties and temperature variations in the tissue. in reference samples such as cryogel phantoms and castor oil samples, animal ex-vivo tissue and explant human liver tissue. Future studies with a bigger sample size will be required in order to validate the system and also explore thoroughly the relationship between the acoustic properties and temperature variations in the tissue.Matela, Nuno Miguel de Pinto Lobo e, 1978-Saffari, NaderRepositório da Universidade de LisboaReis, Sara Ferreira2013-12-02T11:03:08Z20132013-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/9598TID:201288788enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T15:54:07Zoai:repositorio.ul.pt:10451/9598Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:33:45.553696Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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