Advanced

Dosimetric investigations of dynamic effects during Immunostimulating Interstitial Laser Thermotherapy

Mårtensson Jönsson, Hampus LU (2017) FYSM60 20171
Department of Physics
Atomic Physics
Abstract
A simulation model of immunostimulating Interstitial Laser Thermotherapy (imILT) has been developed to investigate the effect that biological variations in tissues have on the treatment outcome. The biological variations include optical and thermal properties. The model based on the results of these investigations was further developed to investigate the possibility of predicting an imILT treatment outcome on ex vivo bovine cardiac muscle tissue, and experiments were performed to validate the simulations. An imILT treatment is based on laser induced tissue ablation due to heat generation via light absorption. The optical properties, i.e. the absorption and the reduced scattering coefficient, affect the treatment outcome in a similar way.... (More)
A simulation model of immunostimulating Interstitial Laser Thermotherapy (imILT) has been developed to investigate the effect that biological variations in tissues have on the treatment outcome. The biological variations include optical and thermal properties. The model based on the results of these investigations was further developed to investigate the possibility of predicting an imILT treatment outcome on ex vivo bovine cardiac muscle tissue, and experiments were performed to validate the simulations. An imILT treatment is based on laser induced tissue ablation due to heat generation via light absorption. The optical properties, i.e. the absorption and the reduced scattering coefficient, affect the treatment outcome in a similar way. An increase in these coefficients yields a faster temperature rise closer to the light source. Furthermore it was seen that it is important to take into consideration a change in optical properties related to thermal coagulation of tissue since the optical properties of coagulated tissue are significantly different from non-coagulated tissue of the same type due to the increased scattering. The effect of varying the thermal properties on the treatment outcome was found to be governed by heat conductivity. Changes in the model were thus made to account for the effects due to tissue coagulation and the heat conductivity by implementing a dynamic relationship between temperature and the optical and thermal properties. The simulated results were found to be in good qualitative agreement with the experiments. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Användandet av laserljus med syftet att destruera cancertumörer är en fördelaktig behandlingsmetod av tumörer som finns nära viktiga organ och som inte kan opereras med hjälp av traditionella kirurgiska ingrepp. Detta är möjligt på grund av den precision som ljuset kan levereras med.

Detta projekt är fokuserat på immunostimulating interstitial laser thermotherapy (imILT) vilket är baserat på laser-inducerad tumörförstörelse till följd av en lokal värmeökning. Denna värmeökning erfordras då laserljuset absorberas i tumörvävnaden. Principen bakom en imILT-behandling är att värma upp tumören tills att dess kant erfar 46°C vilket därefter bibehålls under behandlingsförloppet. Detta leder till att tumören dör samt till en immunologisk... (More)
Användandet av laserljus med syftet att destruera cancertumörer är en fördelaktig behandlingsmetod av tumörer som finns nära viktiga organ och som inte kan opereras med hjälp av traditionella kirurgiska ingrepp. Detta är möjligt på grund av den precision som ljuset kan levereras med.

Detta projekt är fokuserat på immunostimulating interstitial laser thermotherapy (imILT) vilket är baserat på laser-inducerad tumörförstörelse till följd av en lokal värmeökning. Denna värmeökning erfordras då laserljuset absorberas i tumörvävnaden. Principen bakom en imILT-behandling är att värma upp tumören tills att dess kant erfar 46°C vilket därefter bibehålls under behandlingsförloppet. Detta leder till att tumören dör samt till en immunologisk respons riktad mot resterande överlevande tumörvävnad i och kring den behandlade tumören. Laserljuset levereras med hjälp av en optisk fiber placerad i mitten av tumören, och en temperaturmätare är placerad på tumörens kant.

Att i förväg kunna planera en imILT-behandling med hjälp av en simuleringsmodell som kan förutspå behandlingsresultatet skulle kunna medföra att en behandling enklare kan optimeras. Detta skulle leda till att man innan en behandling kan bestämma hur olika behandlingsparametrar ska ställas in för att minimera den totala skadan på frisk vävnad utanför tumören och för att maximera skadan på tumören. Det finns dock fysiska skillnader för samma sorts tumörtyp mellan olika individer, vilket medför att resultatet av en behandling varierar mellan olika patienter. Det sker även olika fysikaliska förändringar i vävnaden olika snabbt under behandlingen som påverkar hur temperaturen sprider sig i tumören.

Målet med detta arbete är att utveckla en simuleringsmodell av imILT för att undersöka möjligheten att kunna förutspå en imILT behandling. Detta görs genom att först skapa en modell som kan simulera ljusutbredning och värmeutbredning i vävnad för att undersöka hur fysikaliska skillnader mellan olika patienter kan påverka behandlingsresultatet. Därefter genom att undersöka hur en implementering av en viss volym av död vävnad i modellen påverkar resultatet. Och slutligen genom att anpassa modellen till att inkludera temperaturberoende förändringar i vävnaden under behandlingen, vilket jämförs med experiment. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Mårtensson Jönsson, Hampus LU
supervisor
organization
course
FYSM60 20171
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
8914999
date added to LUP
2017-06-14 10:58:31
date last changed
2017-06-14 10:58:31
@misc{8914999,
  abstract     = {A simulation model of immunostimulating Interstitial Laser Thermotherapy (imILT) has been developed to investigate the effect that biological variations in tissues have on the treatment outcome. The biological variations include optical and thermal properties. The model based on the results of these investigations was further developed to investigate the possibility of predicting an imILT treatment outcome on ex vivo bovine cardiac muscle tissue, and experiments were performed to validate the simulations. An imILT treatment is based on laser induced tissue ablation due to heat generation via light absorption. The optical properties, i.e. the absorption and the reduced scattering coefficient, affect the treatment outcome in a similar way. An increase in these coefficients yields a faster temperature rise closer to the light source. Furthermore it was seen that it is important to take into consideration a change in optical properties related to thermal coagulation of tissue since the optical properties of coagulated tissue are significantly different from non-coagulated tissue of the same type due to the increased scattering. The effect of varying the thermal properties on the treatment outcome was found to be governed by heat conductivity. Changes in the model were thus made to account for the effects due to tissue coagulation and the heat conductivity by implementing a dynamic relationship between temperature and the optical and thermal properties. The simulated results were found to be in good qualitative agreement with the experiments.},
  author       = {Mårtensson Jönsson, Hampus},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Dosimetric investigations of dynamic effects during Immunostimulating Interstitial Laser Thermotherapy},
  year         = {2017},
}