Mouse-specific therapy planning for focused ultrasound based blood brain barrier opening

by Zhou Da

Thursday Jan 20, 2022, 2:00 PM → 2:45 PM Europe/Berlin

Lecture to the master thesis from Zhou Da on the Topic : Mouse-specific therapy planning for focused ultrasound based blood brain barrier opening

The growing incidence of neurodegenerative diseases worldwide has made them an increasing problem that requires effective treatment. Delivery of therapeutics is challenging due to the blood-brain barrier (BBB), which effectively hinders substances' entry into the brain tissue administered via the blood stream. Focused ultrasound (FUS) provides a new strategy for the BBB-opening in a non-invasive, local and transient way. Its combination with magnetic resonance imaging (MRI) allows for guidance and monitoring (MRgFUS). In order to establish a reliable opening protocol, an expert group at IPE focus on an adequate therapy planning using automated segmentation of mouse anatomy, and the estimation of the FUS parameters with acoustic or elastic simulations.

This Master Thesis aims at developing and verifying a simulation of the FUS system, ultrasound pressure field and mouse anatomy in order to derive a deeper understanding of the subject-individual application. This study seeks to develop a method to predict adequate parameters and positioning of the FUS transducer for the individual mouse experiment. Given a desired focal spot location and its acoustic pressure, the method should estimate a set of parameters to reliably reach a desired maximum pressure at a desired location in order to open the blood-brain-barrier.

This thesis uses a third party MATLAB toolbox - the k-Wave toolbox to simulate the acoustic wave fields. A high resolution computer tomography scanned mouse skull as well as the FUS transducer are modeled and implemented in the simulation field. Several forward simulations are performed to determine the relationship of the desired focal spot and the input signal. The determined pattern is applied to estimate the input parameter setting based on the given desired focal spot by using iterative simulations.

The results unveil a linear relationship between the source strength and the max. target amplitude. The iterative prediction process based on the linear relationship shows the ability to locate the target within a given tolerance area of 0.8mm, and to estimate the source strength, which generates the max. target amplitude with an accuracy of approximately 99.8%.

This thesis provides the opportunity to calibrate the initial guess by applying different skull models in the simulation. The automatically estimated parameter setting is supportive for the practical experiments.

Lecture language: English

 

Vortrag zur Masterarbeit von Zhou Da zum Thema Mausspezifische Therapieplanung für die Öffnung der Blut-Hirn-Schranke mit fokussiertem Ultraschall

Mit steigende Zahl des Patienten gelten neurodegenerative Erkrankungen als wichtige medizinische Herausforderung weltweit, dadurch ist eine effiziente Therapie erforderlich. Die Arzneimittelabgabe ist schwierig wegen der Blood-Brain-Barriere (BBB), die den Eingang des Wirkstoffs durch den Blutfluss ins bestimmte Hirngewebe effizient behindert. Fokussierte Ultraschall (FUS) bietet eine neue Strategie, die BBB nicht-invasiv, lokal und transient zu öffnen. Die Kombination mit Magnetresonanztomographie (MRT) bietet eine Anleitung und Kontrolle für die Therapie (MRgFUS). Um ein zuverlässiges Öffnungsprotokoll aufzubauen, konzentriert sich eine Expertengruppe bei IPE auf eine angemessene Therapieplanung durch automatische Segmentierung der Mausanatomie, und die Schätzung von FUS Parameter mit akustischen bzw. elastischen Simulationen.

Das Ziel der Masterarbeit ist es, eine Simulation des FUS Systems, der Ultraschalldruckverteilung, und der Mausanatomie zu entwickeln und zu überprüfen, um ein tieferes Verständnis der Anwendung des individuellen Subjekts zu erlangen. Die Arbeit bemüht sich um die Schätzung von angemessenen Parametern und der Platzierung des FUS Wandlers für das individuelle Mausexperiment.  Die Methode sollte eine Reihe Parameters schätzen basierend auf dem schon gegebenen Ort des Fokus und seinem Schalldruck, und einen gewünschten maximalen Schalldruck an einem gewünschten Ort erreichen, um die BBB zu öffnen.

Die Masterarbeit benutzt ein MATLAB Toolbox von Dritten – die k-Wave Toolbox, um die akustische Welle zu simulieren. Eine Computertomographie eines Mausschädels mit hoher Auflösung bzw. ein FUS Wandler werden modelliert und in der Simulierung eingeführt. Einige vorwärts laufende Simulationen werden durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen dem gewünschten Fokus und dem Eingangssignal zu bestimmen. Das Muster zwischen die Beiden ist angewandt, um die entsprechende Parameterreihe für ein gewünschtes Fokus mithilfe der iterativen Simulationen zu bestimmen.

Die Ergebnisse veranschaulichen ein lineares Verhältnis zwischen der Quellstärke und der maximalen Amplitude am Target. Der iterative Schätzungsprozess, die auf dem linearen Verhältnis basiert, ist in der Lage, das Target innerhalb eines Toleranzkreis mit einem 0.8mm Radius zu platzieren, und eine Quellstärke zu schätzen, die eine maximale Amplitude am Target mit einer Genauigkeit von ca. 99,8%  erzeugen kann.

Die Arbeit bietet die Möglichkeit, Initialwerte für verschiedene Schädelmodelle mithilfe der Simulation zu kalibrieren. Die automatisch geschätzte Parameterreihe bietet auch Unterstützung für praktische Experimente.

 

Vortragssprache: Englisch