The present study aims to investigate experimentally and theoretically thermal ablation in soft tissues by using high intensity focused ultrasound (HIFU) to assess tissue damage during HIFU thermotherapy. The HIFU field was calculated by solving the axisymmetric Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov equation from the frequency-domain perspective. The temperature field was calculated by solving Pennes' bioheat transfer equation, and the thermal dose required to create a thermal lesion was calculated by using the thermal dose formula based on the thermal dose of a 240-min exposure at $43^{\circ}C$. In order to validate the simulation results, we performed thermal ablation experiments in a tissue-mimicking phantom and ex-vivo porcine liver for two different HIFU source conditions by using a 1.1-MHz, single-element, spherically focused HIFU transducer. The small difference between the measured and the predicted lesion sizes suggests that the implementation of the numerical model used here should be modified to iteratively allow for temperature-dependent changes in the physical properties of tissues.
Magnetic resonance-guided focused ultrasound (MRgFUS) is an emerging new technology with considerable potential to treat various neurological diseases. With refinement of ultrasound transducer technology and integration with magnetic resonance imaging guidance, transcranial sonication of precise cerebral targets has become a therapeutic option. Intensity is a key determinant of ultrasound effects. High-intensity focused ultrasound can produce targeted lesions via thermal ablation of tissue. MRgFUS-mediated stereotactic ablation is non-invasive, incision-free, and confers immediate therapeutic effects. Since the US Food and Drug Administration approval of MRgFUS in 2016 for unilateral thalamotomy in medication-refractory essential tremor, studies on novel indications such as Parkinson's disease, psychiatric disease, and brain tumors are underway. MRgFUS is also used in the context of blood-brain barrier (BBB) opening at low intensities, in combination with intravenously-administered microbubbles. Preclinical studies show that MRgFUS-mediated BBB opening safely enhances the delivery of targeted chemotherapeutic agents to the brain and improves tumor control as well as survival. In addition, BBB opening has been shown to activate the innate immune system in animal models of Alzheimer's disease. Amyloid plaque clearance and promotion of neurogenesis in these studies suggest that MRgFUS-mediated BBB opening may be a new paradigm for neurodegenerative disease treatment in the future. Here, we review the current status of preclinical and clinical trials of MRgFUS-mediated thermal ablation and BBB opening, described their mechanisms of action, and discuss future prospects.
Magnetic resonance-guided focused ultrasound (MRgFUS) is a new emerging neurosurgical procedure applied in a wide range of clinical fields. It can generate high-intensity energy at the focal zone in deep body areas without requiring incision of soft tissues. Although the effectiveness of the focused ultrasound technique had not been recognized because of the skull being a main barrier in the transmission of acoustic energy, the development of hemispheric distribution of ultrasound transducer phased arrays has solved this issue and enabled the performance of true transcranial procedures. Advanced imaging technologies such as magnetic resonance thermometry could enhance the safety of MRgFUS. The current clinical applications of MRgFUS in neurosurgery involve stereotactic ablative treatments for patients with essential tremor, Parkinson's disease, obsessive-compulsive disorder, major depressive disorder, or neuropathic pain. Other potential treatment candidates being examined in ongoing clinical trials include brain tumors, Alzheimer's disease, and epilepsy, based on MRgFUS abilities of thermal ablation and opening the blood-brain barrier. With the development of ultrasound technology to overcome the limitations, MRgFUS is gradually expanding the therapeutic field for intractable neurological disorders and serving as a trail for a promising future in noninvasive and safe neurosurgical care.
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a noninvasive surgical method mainly targeting deeply located cancer tissue. Ultrasound is generated from an extemally located transducer and the beam is focused at the target volume, so that selective damage can be achieved without harm to overlying or surrounding tissues. The mechanism for cell killing can be combination of thermal and cavitational damage. Although cavitation can be an effective means of tissue destruction, the possibility of massive hemorrhage and the unpredictable nature of cavitational events prevent clinical application of cavitation. Hence, thermal damage has been a main focus related to HIFU research. 2D phased array transducer systems allow electronic scanning of focus, multi-foci, and anti-focus with multi-foci, so that HIFU becomes more applicable in clinical use. Currently, lack of noninvasive monitoring means of HIFU is the main factor to limit clinical applications, but development in MRI and Ultrasound Imaging techniques may be able to provide solutions to overcome this problem. With the development of advanced focusing algorithm and monitoring means, complete noninvasive surgery is expected to be implemented in the near future.
Background and Objectives High-intensity focused ultrasound (HIFU) can produce small zones of thermal damage. A HIFU procedure is non-invasive and it can achieve rejuvenation of facial skin. Fractional CO2 laser resurfacing delivers thermal damage to the pixilated columnar zone of the skin and so evoke collagen remodeling, the same as HIFU. In many cases, the patients who want rejuvenation with HIFU are also good candidates for cutaneous photorejuvenation such as can be accomplished via fractional CO2 resurfacing. If patients are treated in a single session by remodeling both the superficial and deep compartments of skin by using both modalities, then improvement in rhytides and tightening of sagging skin will optimize the aesthetic result. Materials and Methods Between May 2014 and January 2018, a total of 44 patients were treated with combination HIFU and fractional CO2 laser resurfacing according to our protocol. First, the HIFU was applied to the entire face with an average of 300 treatment lines. Immediately after HIFU treatment, the ultrasound gel was washed off and then fractional CO2 laser resurfacing was performed. We evaluated the patients using 4-point grading scales. The clinician examined the skin for evidence of complications after the completion of treatment. Results All the patients' skin quality showed improvement. Further. the clinical results after duel modality treatment were substantially better than that after the use of either modality alone. The recovery times and the incidence of adverse events when quickly and consecutively performing both treatments were similar as compared to those with employing stepwise treatment. We encountered no complications whatsoever. Conclusion When compared with stepwise therapy, combination therapy with HIFU and fractional CO2 resurfacing offers better, safer and more effective clinical results. Thus, for targeting multiple layers of aging facial skin, this combination therapy can be safely performed in a single treatment session.
Kim, Nam Kyeong;Choi, Yae Ji;Lee, Yeji;Hwang, Sung Il;Kim, Kidong
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.22
no.5
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pp.221-228
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2021
Recently, there has been an increased awareness on the use of High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) as a non-surgical treatment option for leiomyomas. This study aimed to assess gynecologists' perception of HIFU therapy for uterine leiomyomas in Korea. We analyzed questionnaires from 162 Korean gynecologists who provided data on 1) demographics, 2) pattern of practice with respect to leiomyomas, and 3) opinion regarding HIFU therapy for leiomyomas. Of the 162 gynecologists, 2.8 % regarded HIFU as a first-line treatment for leiomyomas. HIFU was only available at the workplace of 19 % of respondents; of these, 58 % had requested the use of HIFU. When asked about their perception of HIFU for treating leiomyomas, only 19 % of the respondents thought that it was effective. The commonest perceived complication was a delay in the adequate treatment of sarcoma (59 %), followed by bowel injury (52 %). The respondents considered HIFU to be suitable in the following circumstances: age between 40 and 49 years, those patients who no longer desired pregnancy, medium-sized (5-6 cm) leiomyomas, and up to 2 leiomyomas. The Korean gynecologists' perception of HIFU as a treatment for leiomyomas is still not favorable. Gynecologists working at hospitals where HIFU is available tended to have a higher positive perception of this treatment. In addition to research involving a large number of gynecologists from multiple countries, a study on the long-term outcomes of HIFU is needed.
Jung, Hyun Ho;Chang, Won Seok;Kim, Se Joo;Kim, Chan-Hyung;Chang, Jin Woo
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.61
no.4
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pp.427-433
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2018
Obsessive compulsive disorder is a debilitating condition characterized by recurrent obsessive thoughts and compulsive reactions. A great portion of the obsessive compulsive disorder (OCD) patients are managed successfully with psychiatric treatment such as selective serotonin-reuptake inhibitor and cognitive behavioral psychotherapy, but more than 10% of patients are remained as non-responder who needs neurosurgical treatments. These patients are potential candidates for the neurosurgical management. There had been various kind of operation, lesioning such as leucotomy or cingulotomy or capsulotomy or limbic leucotomy, and with advent of stereotaxic approach and technical advances, deep brain stimulation was more chosen by neurosurgeon due to its characteristic of reversibility and adjustability. Gamma knife radiosurgery are also applied to make lesion targeting based on magnetic resonance (MR) imaging, but the complication of adverse radiation effect is not predictable. In the neurosurgical field, MR guided focused ultrasound has advantage of less invasiveness, real-time monitored procedure which is now growing to attempt to apply for various brain disorder. In this review, the neurosurgical treatment modalities for the treatment of OCD will be briefly reviewed and the current state of MR guided focused ultrasound for OCD will be suggested.
Jung, Na Young;Rachmilevitch, Itay;Sibiger, Ohad;Amar, Talia;Zadicario, Eyal;Chang, Jin Woo
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.62
no.6
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pp.712-722
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2019
Objective : Although magnetic resonance guided focused ultrasound (MRgFUS) has been used as minimally invasive and effective neurosurgical treatment, it exhibits some limitations, mainly related to acoustic properties of the skull barrier. This study was undertaken to identify skull characteristics that contribute to optimal ultrasonic energy transmission for MRgFUS procedures. Methods : For ex vivo skull experiments, various acoustic fields were measured under different conditions, using five non-embalmed cadaver skulls. For clinical skull analyses, brain computed tomography data of 46 patients who underwent MRgFUS ablations (18 unilateral thalamotomy, nine unilateral pallidotomy, and 19 bilateral capsulotomy) were retrospectively reviewed. Patients' skull factors and sonication parameters were comparatively analyzed with respect to the cadaveric skulls. Results : Skull experiments identified three important factors related skull penetration of ultrasound, including skull density ratio (SDR), skull volume, and incidence angle of the acoustic rays against the skull surface. In clinical results, SDR and skull volume correlated with maximal temperature (Tmax) and energy requirement to achieve Tmax (p<0.05). In addition, considering the incidence angle determined by brain target location, less energy was required to reach Tmax in the central, rather than lateral targets particularly when compared between thalamotomy and capsulotomy (p<0.05). Conclusion : This study reconfirmed previously identified skull factors, including SDR and skull volume, for successful MRgFUS; it identified an additional factor, incidence angle of acoustic rays against the skull surface. To guarantee successful transcranial MRgFUS treatment without suffering these various skull issues, further technical improvements are required.
Lee, Dongeun;Jung, Bok Ki;Roh, Tai Suk;Kim, Young Seok
Archives of Plastic Surgery
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v.47
no.1
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pp.20-25
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2020
Background Ultrasonic dissection devices cause less thermal damage to the surrounding tissue than monopolar electrosurgical devices. We compared the effects of using an ultrasonic dissection device or an electrocautery device during prosthetic breast reconstruction on seroma development and short-term postoperative complications. Methods We retrospectively reviewed the medical records of patients who underwent implant-based reconstruction following mastectomy between March 2017 and September 2018. Mastectomy was performed by general surgeons and reconstruction by plastic surgeons. From March 2017 to January 2018, a monopolar electrosurgical device was used, and an ultrasonic dissection device was used thereafter. The other surgical methods were the same in both groups. Results The incidence of seroma was lower in the ultrasonic dissection device group than in the electrocautery group (11 [17.2%] vs. 18 [31.0%]; P=0.090). The duration of surgery, total drainage volume, duration of drainage, overall complication rate, surgical site infection rate, and flap necrosis rate were comparable between the groups. Multivariate analysis revealed that the risk of seroma development was significantly lower in the ultrasonic dissection device group than in the electrocautery group (odds ratio for electrocautery, 3.252; 95% confidence interval, 1.242-8.516; P=0.016). Conclusions The findings of this study suggest that the incidence of seroma can be reduced slightly by using an ultrasonic dissection device for prosthesis-based breast reconstruction. However, further randomized controlled studies are required to verify our results and to assess the cost-effectiveness of this technique.
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