Odaklı ultrason terapisinde frekans eniyilemesi için dokuda ısı yayılım modeli geliştirilmesi ve manyetik rezonans yardımı ile doğrulanması
A model for frequency optimization in high intensity focused ultrasound therapy and its verification using magnetic resonance thermometry
Yazar: BERK SİLEMEK
Danışman: DOÇ. DR. ARİF SANLI ERGÜN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yüksek yoğunluklu odaklı ultrason (HIFU), günümüzde pek çok hastalığın tedavisi
için umut vadeden bir teknolojidir. Doku eritmesi ve ilaç teslimatı gibi iki temel
tedavi yöntemi üzerine çalışılan bu teknolojide, süre ve dozaj önemli bir rol
oynamaktadır. Doku eritmesinde kısa sürede çok yüksek derecelere ulaşılmasına
karşın ilaç teslimatı gibi uygulamalarda daha uzun süreli düşük derecelerde terapi
uygulanır. Her iki terapide de önemli olan nokta ise hedef dışındaki dokulara zarar
vermemektir (örn. Deri). Bu sebeple geliştirilen pek çok yöntemlerden birisi de
frekans eniyilemesidir. Frekans eniyilemesi, hedef dokunun derinliğine bağlı olarak
verilen frekansı ayarlayarak sadece istenilen noktayı yakmak için verilen akustik
gücü ayarlamaya yarar. Literatürdeki çalışmalarda frekans eniyilemesinin analitik
çözümü mevcuttur fakat deneysel olarak gösterilen çalışmalar henüz bu frekans
eniyilemesi teorisini tam olarak doğrulamamıştır. Bu tezde, bir HIFU sisteminin
doku ile birlikte modellenmesi ve bu modelin Manyetik Rezonans (MR) kullanarak
doğrulanması amaçlanmıştır. Böylelikle verimli bir HIFU terapisi için sıcaklık
artışının frekans ile ayarlanabileceği ve en verimli noktanın bulunduğunun
modellenmesi ve doğrulanması amaçlanmıştır. Model ve deneyler ex vitro tavuk
göğsü kullanarak yapılmıştır. Modelde COMSOL yazılımı kullanılmıştır ve deney
ortamı taklit edilmeye çalışılmıştır. 2-Boyutlu aksisimetrik yapı çözülmüştür ve
dokuda akustik yayılım ve dokuda ısı yayılımı sonuçları elde edilerek MR
termometri verileri ile karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına göre dokuda ısı yayılım
modeli doğrulanmış ve dokuda ısı artışının frekans bağımlılığı gösterilmiştir. Sonuç
olarak verimli bir HIFU terapisi için dokudaki sıcaklık artışının önceden tahmin
edilebileceği ve sıcaklık artışının akustik frekans ile değiştirilebileceği gösterilmiştir.

Abstract:
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a promising technology for the
treatment of various diseases. The techniques that have been studied mostly include
tissue ablation and drug delivery in which application duration and dosage are
critical. Tissue ablation requires very high temperatures reached within seconds
whereas, drug delivery applications require low temperatures over longer durations.
It is also critical to not damage any other tissue than target tissue in both applications
(i.e. skin). Therefore, many studies focused on reducing unnecessary heating of the
tissue. One of the promising solutions is frequency optimization. Frequency
optimization technique, utilizes the frequency of the acoustic pressure depending on
the target tissue depth. In literature, there is an analytic solution for this problem;
however, this has not been shown experimentally with the calculated solution. This
thesis focuses on modeling of a HIFU system with tissue model while using
Magnetic Resonance (MR) thermometry for experimental data. So that an efficient
HIFU therapy can be delivered to the target knowing how much the tissue is going to
be heated. For the experiments, ex vitro chicken breast was used. The model uses 
COMSOL software and experimental environment can be mimicked properly. The
model benefits from 2-D axisymmetric structure of the acoustic and heat problem.
The model was then validated using MR thermometry. Frequency dependence was
shown both analytically and experimentally. As a result, a HIFU model for tissue
heating, which can be used for treatment planning, has been developed and has been
shown to predict temperature rise correctly.