Magnetomotive Ultrasound Imaging to Estimate Tissue Elastic Properties - Experiments and Simulations

Abstract (Swedish)

Magnetomotoriskt ultraljud är en ny bildgivande teknik som kombinerar vanligt ultraljud med ett pålagt tidsvarierande magnetfält för att åstadkomma en detekterbar rörelse i vävnad. Genom att injicera magnetiska nanopartiklar i området man vill undersöka kan på så sätt viktig information tillgodogöras.

Superparamagnetiska järnoxidpartiklar har i drygt ett årtionde varit ett godkänt kontrastmedel för andra bildgivande system och har visat sig kunna utnyttjas även för magnetomotoriskt ultraljud. I denna rapport undersöktes möjligheterna för denna nya bildgivande teknik att, i samband med superparamagnetiska järnoxidpartiklar, användas för både förundersökningar och under operationer för att identifiera den s.k. portvaktskörteln.

Magnetomotoriska ultraljudsundersökningar genomfördes i denna rapport på egentillverkade vävnadsfantomer. Fantomerna preparerades för att få liknande egenskaper som de i litteratur funna elasticitetsvärden för frisk respektive tumörvävnad. Ett mjukvaruprogram användes för att numeriskt modellera och analysera utgången av experimenten och jämföra dessa med de uppmätta värdena.

Resultaten i rapporten visar att man med magnetomotoriskt ultraljud, i kombination med nanopartiklar som kontrastmedel, kan detektera en vävnadsrespons som beror på elasticitetsparametrar hos vävnaden. För två olika uppställningar med elasticitetsvärden på 2.5 kPa respektive 2.8 kPa kunde en relativ rörelseskillnad på 30 % detekteras. För att denna metoden ska vara av värde i kliniska sammanhang behöver den evalueras ytterligare.

Abstract

Magnetomotive ultrasound imaging is an imaging technique that utilizes regular ultrasound in combination with an applied time varying magnetic field to induce motion of magnetic nanoparticles injected in the region. This motion can be detected and give valuable information about the particle laden region.

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles have been approved for over a decade for use with other imaging techniques and are now utilized for magnetomotive ultrasound imaging research as well. In this report, the possibilities for the use of magnetomotve ultrasound imaging as a pre- and intraoperative method for detecting metastases in the sentinel lymph node was investigated.

In this report magnetomotive ultrasound measurements were performed on tissue mimicking phantoms with elastic properties simulating healthy and cancerous tissue. A model of the setup was created in a multi physics software tool and used to confirm and explain the observed behavior.

The results in this report indicate that a difference in tissue response exists and can be detected. For two different setups with elastic properties of 2.5 kPa and 2.8 kPa we see a relative change in detected displacement of about 30 %. However, for this approach to be utilized clinically, more studies are needed.

Popular Abstract (Swedish)

Detektion av cancermetastaser med en ny ultraljudsbaserad metod

Bröstcancer och hudcancer är två av de vanligaste cancerformerna i Sverige. Båda kan spridas via lymfsystemet och skulle därför dra nytta av en metod som undersöker just metastaser i detta system. Dagens metoder för att göra detta är omständliga och dyra, men på senare tid har man fått upp ögonen för fördelarna med att utnyttja ultraljud istället. Genom att kombinera traditionellt ultraljud, en bildgivande metod med många fördelar, med ett magnetiskt fält och magnetiska nanopartiklar öppnas en värld av möjligheter för att undersöka sjukdomsförlopp på molekylär nivå.

Frisk vävnad skiljer sig från tumörvävnad på så vis att de uppvisar olika elastiska egenskaper. För att undersöka om cancer har spridit sig i kroppen är det av intresse att detektera dessa elasticitetsskillnader. Både bröst- och hudcancer sprids metodiskt och främst via lymfsystemet. Den s.k. portvaktskörteln är den lymfkörtel där det är mest troligt att finna metastaser om cancern har spridit sig, då lymfvätska filtreras i lymfkörtlarna och portvaktskörteln är den första som lymfvätska från tumörområdet kommer till. Genom att därför undersöka just denna körtel kan man direkt avgöra risken för spridning. Helst bör detta göras på ett vis som undviker onödiga operationer för patienterna. En alternativ metod med potential för mycket hög upplösning är traditionellt ultraljud i kombination med en magnet och ett kontrastmedel. Detta kontrastmedel är magnetiska nanopartiklar som injiceras i lymfsystemet och söker sig till portvaktskörteln. Magneten sätter dessa nanopartiklar i rörelse och efter databehandling av ultraljudsbilderna kan man tillgodogöra sig information som berättar något om elasticitetsvärdena i den undersökta regionen.

För att undersöka detta fenomen tillverkades små bitar av en vävnadsliknande substans, PVA. PVA, eller polyvinylalkohol, är en lösning som har samma elastiska egenskaper som vävnad. De magnetiska nanopartiklarna injicerades i PVA-bitarna och sedan undersöktes dessa med ultraljud. Detta fenomen simulerades även i ett datorprogram, där modellen byggdes upp för att efterlikna den experimentella situationen. Simuleringen möjliggjorde fler och snabbare undersökningar jämfört med de verkliga experimenten. Resultaten från de experimentella och de simulerade processerna visade på att man faktiskt kan se en rörelseskillnad på vävnad med olika elasticitet. Man kunde se ett mönster där symboliserad mjukare vävnad har en större rörelseförändring jämfört med symboliserad hårdare vävnad.

• author: Eriksson, Malin and Andåker, Stina
• supervisor: Tomas Jansson
• organization: Department of Biomedical Engineering
• course: BMEM01 20152
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: PVA, Polyvinylalcohol, MMUS, Superparamagnetic iron oxide nanoparticle, SPIO-nanoparticle, Magnetomotive ultrasound
• language: English
• additional info: 2015-17
• id: 7869372
• date added to LUP: 2015-09-29 11:44:00
• date last changed: 2015-09-29 11:44:00