温度による弾性変化のモニタリングにおける超音波刺激音響放出の使用

超音波刺激音響放出（USAE）シグナルの振幅は組織温度に敏感であり、したがって、それを検出するのに役立つことが以前に示されています。ただし、その振幅は、音響および機械的パラメーターの両方に敏感であり、ほとんどの周波数が温度により反対の効果をもたらします。この論文では、温度で組織剛性の変動を監視するために、USAE信号の共振ピークの周波数シフトを使用する可能性を調査します。数値シミュレーションでは、異なる温度での周波数シフトの変動が示されています。次に、ゲルファントムおよびブタ筋組織を含む一連の実験で、周波数シフトの変動は、温度による既知の剛性の変化に従うことが示されています。また、このシフトは、熱凝固壊死の発症と同様に、可逆的な変化を示していることも示されています。壊死は、単調に増加する正の周波数シフトによって特徴付けられます。したがって、USAEスペクトルピークは、剛性が低下すると負のシフト（またはダウンシフト）を受けることと、剛性が増加すると正のシフト（またはアップシフト）を受けることが示されました。実験周波数は、ゲルと30-70度Cの温度でそれぞれ-250から80 Hz、および筋肉組織で-250〜80 Hz、-200〜250 Hzの範囲内で22.1-22.5 kHzのピークの周りにシフトしました。シミュレーションとex vivoの実験結果は、USAE周波数シフト法が音響パラメーター依存性から機械的なものを分離するのに役立つことを示しており、熱凝固壊死の開始を検出することを示しています。

It has been previously shown that the amplitude of the ultrasound-stimulated acoustic emission (USAE) signal is sensitive to tissue temperature and, therefore, can help detect it. Its amplitude, however, is sensitive to both acoustical and mechanical parameters, that at most frequencies have opposite effects due to temperature. In this paper, we explore the feasibility of using a frequency shift of the resonant peaks of the USAE signal for monitoring the tissue stiffness variation with temperature. In a numerical simulation, the variation of the frequency shift at different temperatures is shown. Then, in a series of experiments involving a gel phantom and porcine muscle tissue, the frequency shift variation is shown to follow the known stiffness changes due to temperature. It is also shown that this shift indicates reversible changes as well as the onset of thermal coagulative necrosis. The necrosis is marked by a monotonically increasing positive frequency shift. It was thus shown that the USAE spectrum peaks undergo a negative shift (or, downshift) when the stiffness decreases and a positive shift (or, upshift) when the stiffness increases. The experimental frequency shifted around a peak at 22.1-22.5 kHz within a range of -250 to 80 Hz and -200 to 250 Hz for the gel and muscle tissue for the temperatures of 25-70 and 30-70 degrees C, respectively. Simulation and ex vivo experimental results indicate that the USAE frequency shift method can help decouple the mechanical from the acoustical parameter dependence as well as detect the onset of thermal coagulative necrosis.