Nicht-invasive Kontrolle thermischer Therapien mit Hilfe des Ultraschalls:
Untersuchungen am Beispiel der Laser-Therapie

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades

doctor rerum naturalium

(Dr. rer. nat)

im Fach Biophysik

eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I

der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Dipl.-Phys. Robert Lemor

23.7.1974, Saarbrücken

Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. Jürgen Mlynek

Dekan: Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Prof. Dr. Bernhard Ronacher

Gutachter:
1. Prof. Dr. Günter Fuhr
2. Prof. Dr. Klaus Kramer
3. Prof. Dr. Jürgen Beuthan

Tag der mündlichen Prüfung: 22.10.2001

Zusammenfassung

Bei der Behandlung von Tumoren und Metastasen werden neben der moderaten Hyperthermie auch minimalinvasive, thermotherapeutische Verfahren als Alternativen zur chirurgischen Resektion und / oder zur Unterstützung der Radio- und Chemo­therapie angewandt, bei denen das Gewebe lokal begrenzt zur gezielten Zerstörung durch Koagulation auf Temperaturen bis zu 100 °C erhitzt wird. Dabei zeigen besonders die interstitiellen Techniken bei der Behandlung von Lebermetastasen und Prostataerkrankungen vielversprechende Ergebnisse, jedoch steht derzeit neben der Magnetresonanztomographie kein kostengünstiges, routinemäßig einsetzbares Verfahren zur nicht-invasiven on-line Therapiekontrolle zur Verfügung, so daß diese Eingriffe meist „blind“, auf anatomische Normwerte und praktische Erfahrungen des Arztes gestützt, durchgeführt werden.

In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der nicht-invasiven Ultraschall Kontrolle der Thermotherapien am Beispiel der laserinduzierten interstitiellen Thermotherapie untersucht und zwei Ultraschallverfahren zur Therapiekontrolle vorgeschlagen.

Das erste Verfahren basiert auf der Auswertung von lokalen Veränderungen der Laufzeit des Schallsignals zur Ermittelung der Temperaturverteilung im Gewebe. Es beruht physikalisch auf der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit. Das zweite Verfahren basiert physikalisch auf den Dämpfungseigenschaften von biologischem Gewebe und deren Abhängigkeit von der Gewebestruktur. Mit diesem Verfahren werden Veränderungen in der Frequenzabhängikeit der Dämpfung quantitativ ausgewertet und somit auf den Gewebezustand geschlossen.

Beide Verfahren werden im Hinblick auf den klinischen Einsatz entwickelt und in ein experimentelles System zur Therapiekontrolle implementiert, wobei besonderes Augenmerk auf die Entstehung von Störungen und Artefakten durch Patientenbewegungen gelegt und eine Methode zur Kompensation dieser Bewegungen vorgestellt wird. Anhand von in vitro Experimenten und einer ersten in vivo Messung wird gezeigt, daß beide Verfahren zur Therapiekontrolle von thermischen Therapien in Echtzeit tauglich sind. Sowohl anhand von Temperaturkarten als auch anhand von Strukturkarten kann die Läsionsausbreitung während der Therapie nicht-invasiv ermittelt und dargestellt werden.

Eigene Schlagworte: Ultraschall, Temperatur, Dämpfung, Thermotherapie, Kontrolle, Laser, LITT

Abstract

As alternatives to surgical resection and/or supportive to radio- or chemo-therapy of tumors and metastases minimal invasive thermal treatment procedures besides the moderate hyperthermia are used, by which the tissue is heated up locally to temperatures up to 100 ° C. Particularly the interstitial techniques show promising results with the treatment of liver metastases and prostate cancer. However beside nuclear magnetic resonance tomography there is no economical, by routine applicable procedure for non invasive therapy control at present disposal, so that these interventions are usually executed “blind“ by means of anatomical standard values and practical experience of the physician.

By the example of the laser induced interstitial thermo-therapy in this work the possibility of non invasive control of thermal therapies by means of ultrasound are evaluated. Two different ultrasonic procedures are proposed for therapy control. The first procedure is based on the analysis of local modifications in the time of flight of the ultrasound signal for determination of the temperature distribution in the tissue. It is based on the physical dependence of the sound velocity on temperature. The second procedure is based on the physical attenuation characteristics of biological tissue and their dependence on the tissue structure. With this procedure changes in the frequency dependence of the ultrasound attenuation are quantitatively analyzed yielding information on the tissue status.

Both procedures are developed with regard to the clinical application and are implemented in an experimental system for therapy control, whereby special attention was given to disturbances and artifacts due to patient movement and a method for compensating these movements is presented. With in vitro experiments and a first in vivo measurement it is shown, that both procedures are feasible for real time control of thermal therapies. During the treatment the formation of the therapeutic lesion can be observed and displayed through temperature mapping as well as structural mapping.

Keywords: Ultrasound, Temperature, Attenuation, Thermo Therapy, Control, Laser, LITT

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13.01.2005