Effects of high intensity focused ultrasound on the intervertebral disc

Abstract

The purpose of this study was to study and try to optimise high intensity focused ultrasound treatment of the intervertebral disc.



We demonstrated that it was possible to heat intervertebral discs with HIFU delivered by 50 or 5 mm diameter ultrasound transducers.



Finite element studies indicated that it would be possible to heat the disc to a temperature of 65ºC or above through an extradiscal minimally invasive procedure with a 5 mm diameter ultrasound transducer.



Computational studies were in general validated by experiments. In vivo studies showed no sign of discomfort or abnormality to the treated animals. Histological changes due to collagen shrinkage in the discs were found, and no damage to the nerve or muscle could be found.



The attenuation coefficient in bovine annulus fibrosus was found to be in the range of 1.1 to 1.3 dB cm-1 MHz-1 and the absorption coefficient 0.4 to 0.7 dB cm-1 MHz-1, which is approximately half of the attenuation coefficient. This indicates that a significant proportion of the ultrasound is scattered, due to the anisotropic nature of the annulus fibrosus.



Using magnetic resonance thermometry in a bovine in vitro model, the possibility to measure the temperature distribution in the disc during HIFU treatment was demonstrated. This method can be used to evaluate future ultrasound transducers and treatment protocols.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ultraljud brukar oftast förknippas med diagnostiska metoder såsom fosterdiagnostik men kan även användas för terapeutisk behandling. Terapeutiskt ultraljud bygger på att ljudet absorberas i vävnaden och därigenom ger upphov till en ökad temperatur. Temperaturökningen är beroende av ultraljudets intensitet samt ultraljudsabsorptionen i den aktuella vävnaden. Genom att fokusera ultraljudet är det möjligt att öka intensitet i en begränsad volym och på så sätt behandla djupt liggande vävnad utan kirurgi. Högintensivt fokuserat ultraljud, så kallat HIFU efter engelskans High Intensity Focused Ultrasound, används idag för att behandla tumörer, olika ögonsjukdomar samt hjärt- och hjärnsjukdomar.



Mellan varje ryggkota finns en disk som tillåter viss rörelse mellan kotorna och samtidigt fungerar som en stötdämpare. Disken är den största strukturen i kroppen som saknar blodtillförsel och består till 90% av vatten. Den inre gelé-liknande vävnaden kallas nucleus pulposus och är omgiven av den något fastare annulus fibrosus. När disken åldras tappar den gradvis sin vätskeupptagningsförmåga vilket gör att disken blir skörare. Detta kan leda till sprickor i annulus fibrosus och nucleus pulposus kan då tryckas ut i dessa sprickor och orsaka en utbuktande disk. Om denna utbuktning trycker mot nervrötter kan ischiassmärta (som strålar ut i ena benet) uppstå.



Diskbråckspatienter ordineras vila och sjukgymnastik under minst två månader innan operation övervägs, detta eftersom spontanläkning är vanlig. Vid konventionell diskbråcksoperation perforeras disken och en del av nucleus pulposus plockas ut så att diskvolymen minskas och utbuktningen går tillbaka. För att minimera ingreppet används mikrokirurgi. Vid ultraljudsbehandling av diskbråck behöver disken inte perforeras varvid ingreppet minimeras ytterliggare. När den kollagenrika disken värms upp med ultraljud krymper kollagenfibrerna i annulus vid 65ºC. Även eventuell nervvävnad som kan ha växt in i den yttre delen av den åldrade annulus kommer att förstöras vid denna temperatur. Genom dessa båda mekanismer kan smärta orsakad av diskbråck minskas eller upphävas.



Syftet med detta arbete har varit att studera och optimera HIFU-behandling av disken, ur ett fysikaliskt perspektiv.



I den inledande studien visades att det går att värma disken med HIFU. Två storlekar av ultraljudsgivare studerades, den större (50 mm i diameter) var avsedd för att användas utanför kroppen utan att något kirurgiskt ingrepp genomförs (icke-invasivt). En icke-invasiv ultraljudsbehandling av disken kräver övervakning av ultraljudets väg in till disken så att inte närliggande muskel- eller nervvävnad skadas. Ett sätt att undvika detta problem är att utföra en så kallad mini-invasiv behandling, därför studerades även mindre ultraljudsgivare (5 mm i diameter). Ytan på de mindre ultraljudsgivarna nådde höga temperaturer under behandling och slutsatsen drogs att vattenkylning av dessa var nödvändig.



För att optimera designen av en mini-invasiv ultraljudsgivare gjordes en beräkningsmodell av en disk vilken exponeras för fokuserat ultraljud. Med hjälp av finita-element-metoden löstes värmeledningsekvationen vilket gav möjligheten att studera dels givarspecifika och dels vävnadsspecifika parametrars påverkan på temperaturfördelningen i disken. Modellen indikerar att det är möjligt att värma upp delar av disken till 65ºC eller mer med en ultraljudsgivare på 5 mm i diameter. Den uppvärmda volymen blir dock liten och ytlig även om fokallängden ökas.



Ultraljudsgivare tillverkades med frekvens och fokallängd baserade på resultaten från tidigare nämnd beräkningsmodell. Denna ultraljudgivares intensitetsfält i vatten uppmättes, in vitro och in vivo experiment utfördes på diskar. Temperaturökningar tillräckliga för att uppnå krympning av kollagenet i disken observerades samtidigt som temperaturökningen begränsades till måttliga 4ºC i de omgivande ändplattorna och kotorna. Djurförsöken syftade till att bedöma säkerheten i behandlingen. Inga tecken på termiska skador på nervrötter eller muskelvävnad observerades, däremot hittades histologiska förändringar konsistenta med kollagenkrympning i disken.



När ultraljud passerar genom vävnad dämpas (attenueras) intensiteten på grund av absorption och spridning i vävnaden. Storleken på attenueringen respektive absorptionen är olika för olika vävnader och mättes i vårt fall på annulus från oxsvansar. Mätningar utfördes även på muskelvävnad från grisar för att kunna konfirmera modellens giltighet eftersom attenuerings- och absorptionskoefficienterna för muskelvävnad är känd sedan tidigare. Resultaten visade att absorptionskoefficienten endast utgjorde cirka hälften av attenueringen i annulus. Detta innebär att ultraljudsspridningen är stor i annulus beroende på dess anisotropa uppbyggnad.



För att få en bättre bild av temperaturfördelningen i disken under HIFU-behandling än den som enstaka temperaturgivare ger, undersöktes möjligheten att med magnetresonanstomografi (MR) mäta temperaturen. Disk med omgivande kotor (oxsvans) monterades i ett vattenbad som placerades i en magnetresonanskamera. Fasbilder i flera plan togs före, under och efter HIFU-behandling och temperaturändringen beräknades på de resulterande bilderna. Volymen som upphettats till 28ºC eller mer (vilket motsvarar sluttemperatur på minst 65ºC när utgångstemperaturen är normal kroppstemperatur) beräknades till 75 mm3 efter 60 s och 195 mm3 efter 6 minuters behandling. Metoden är lämplig för att mäta temperaturförändringar och utvärdera behandlingar vid HIFU behandling av disk.

• author: Persson, Johan K
• supervisor: Lars Lidgren
• opponent: Professor Ask, Per, Dep of Biomedical Engineering, Linköpings Universitet
• organization: Orthopaedics (Lund)
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Orthopedics
• keywords: medical instrumentation, tomography, radiology, Clinical physics, Biofysik, Biophysics, Thermal therapy, Disc herniation, Intervertebral disc, High intensity focused ultrasound, Klinisk fysiologi, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering
• pages: 80 pages
• defense location: Föreläsningssal F4 Centralblocket Universitetssjukhuset i Lund
• defense date: 2006-09-21 13:15:00
• external identifiers: scopus:33748069438
• ISBN: 91-85559-28-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: J Persson, B Strömqvist, G Zanoli, I McCarthy and L Lidgren. 2002. Ultrasound nucleolysis: An in vitro study. Ultrasound in medicine and Biology, vol 28 pp 1189-1197.; J Persson, E Hansen, L Lidgren and I McCarthy. 2005. Modelling of the heat distribution in the intervertebral disk Ultrasound in medicine and Biology, vol 31 pp 709-717.; O Forslund, J Persson, B Strömqvist, L Lidgren and I McCarthy. 2006. Effects of high intensity focused ultrasound on the intervertebral disc: A potential therapy for disc herniations Journal of Clinical Ultrasound, vol 34 pp 330-338. (accepted); J Persson, L Lidgren and I McCarthy. 2006. Ultrasound attenuation and absorption in the intervertebral disc Ultrasonics, (submitted); J Persson, J Olsrud, O Forslund, B Strömqvist and I McCarthy. 2006. Heating of the intervertebral disc by high intensity focused ultrasound, evaluated with MRI. A technical note Spine, (submitted)
• id: d7444a3f-bcea-4d18-b380-fba6d98a1ef4 (old id 547110)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:06:25
• date last changed: 2022-01-28 17:22:39