超高速三次元マイクロバブルイメージングは、非熱的脳アブレーション時の組織損傷体積分布を予測する

Ultrafast three-dimensional microbubble imaging predicts tissue damage volume distributions during nonthermal brain ablation.

• Ryan M Jones
• Dallan McMahon
• Kullervo Hynynen

抄録

経頭蓋磁気共鳴イメージング（MRI）誘導集束超音波（FUS）による熱的アブレーションは、非侵襲的な脳神経外科手術のために臨床研究が行われていますが、その使用は、主に頭蓋骨の加熱効果のために中枢脳のターゲットに限定されています。FUSと造影剤マイクロバブルの組み合わせは、脳組織のアブレーションに必要な超音波曝露レベルを大幅に減少させ、脳全体での経頭蓋FUSアブレーションの使用を容易にするのに役立つ可能性があります。しかしながら、マイクロバブルを介在させたＦＵＳ処置の間には変動性の原因が存在しており、そのためには、曝露から過剰なおよび／または標的外の生物効果が誘発されないように、オンラインで処置を監視および制御するためのシステムおよび方法の継続的な開発が必要である。 メガヘルツレートの三次元（3D）マイクロバブルイメージングは、臨床規模のプロトタイプの半球型フェーズドアレイシステムを用いてウサギの脳の非熱的アブレーション中に実施された。超音波アグリゲーションによる超高速3Dソースフィールド強度データは、MRIを用いて治療後に測定したマイクロバブルが介在する組織損傷体積分布を予測し、組織病理学的に確認した。現場では一般的に行われている音響放射の時間的なアンダーサンプリングが性能を阻害することが判明し、治療のモニタリングとコントロールの目的のために適切なデータを取得することの重要性が強調された。 今回初めて報告された超高速3Dマイクロバブルイメージングの予測能力は、将来のマイクロバブルを介在させたFUS治療を比類のない精度と精度で可能にし、脳と全身の非熱的組織アブレーション法の臨床応用を加速させるものである。

Transcranial magnetic resonance imaging (MRI)-guided focused ultrasound (FUS) thermal ablation is under clinical investigation for non-invasive neurosurgery, though its use is restricted to central brain targets due primarily to skull heating effects. The combination of FUS and contrast agent microbubbles greatly reduces the ultrasound exposure levels needed to ablate brain tissue and may help facilitate the use of transcranial FUS ablation throughout the brain. However, sources of variability exist during microbubble-mediated FUS procedures that necessitate the continued development of systems and methods for online treatment monitoring and control, to ensure that excessive and/or off-target bioeffects are not induced from the exposures. Megahertz-rate three-dimensional (3D) microbubble imaging was performed during nonthermal ablation in rabbit brain using a clinical-scale prototype transmit/receive hemispherical phased array system. volumetric acoustic imaging over microsecond timescales uncovered spatiotemporal microbubble dynamics hidden by conventional whole-burst temporal averaging. Sonication-aggregate ultrafast 3D source field intensity data were predictive of microbubble-mediated tissue damage volume distributions measured post-treatment using MRI and confirmed via histopathology. Temporal under-sampling of acoustic emissions, which is common practice in the field, was found to impede performance and highlighted the importance of capturing adequate data for treatment monitoring and control purposes. The predictive capability of ultrafast 3D microbubble imaging, reported here for the first time, will enable future microbubble-mediated FUS treatments with unparalleled precision and accuracy, and will accelerate the clinical translation of nonthermal tissue ablation procedures both in the brain and throughout the body.

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