Uusi menetelmä ultraäänikirurgian annossuunnitteluun

Ultraääniaallon edetessä biologisessa kudoksessa osa aallon energiasta absorboituu ja muuttuu lämmöksi. Ultraäänen aiheuttamaa lämpövaikutusta tutkitaan lupaavana menetelmänä uudessa syöpäterapiamuodossa, ultraäänikirurgiassa. Ultraäänikirurgian tarkoituksena on tuhota syöpäkasvain kohdistamalla suuri-intensiteettinen ultraääniaalto kasvaimeen, ja siten aiheuttaa voimakas paikallinen lämmönnousu, joka tuhoaa sairaan kudoksen. Menetelmän etuina ovat muun muassa se, että lämpövaikutus voidaan kohdistaa tarkasti syövän alueelle siten että ympäröivä terve kudos säästyy. Lisäksi menetelmä on ei-invasiivinen, eli hoito voidaan suorittaa kehon pinnalle asetettavien ultraäänilähteiden avulla. Ultraäänikirurgia ei ole vielä kliinisessä käytössä, mutta sitä tutkitaan maailmanlaajuisesti lupaavana syöpäterapiamuotona, ja ensimmäiset potilaskokeet ovat osoittaneet menetelmän toimivuuden.

Ultraäänikirugian käyttö syöpäterapiamuotona edellyttää tarkkaa annossuunnittelua halutun lämpövaikutuksen saamiseksi. Annossuunnittelussa kehon pinnalle asetettavien ultraäänilähteiden tehoa ja vaihetta säädetään hoidon aikana halutun lämpöannoksen saavuttamiseksi. Annossuunnittelu voidaan toteuttaa matemaattisten mallien, osittaisdifferentiaaliyhtälöiden, ja säätöteorian avulla. Mallinnettavat ilmiöt ovat laskennallisesti haastavia. Ensimmäiseksi täytyy mallintaa ultraäänen eteneminen kudoksissa. Kudoksien ja elinten erilaisista rakenteista ja akustisista ominaisuuksista johtuen tämä tehtävä on hyvin hankala. Seuraava askel annossuunnittelussa on mallintaa ultraääniaallon aiheuttama lämmönnousu ja saavutettu lämpöannos hoidon aikana. Mallinnettavat ilmiöt ovat laskennallisesti vaikeita. Lisäksi yhdessä annossuunnitteluun liittyvien tarkkuusvaatimusten ja toisaalta hoidon mallinnukseen liittyvien epätarkkuuksien kanssa perinteiset laskennalliset menetelmät eivät sovellu annossuunnittelun tarpeisiin.

FM Matti Malinen on väitöskirjassaan kehittänyt uuden laskennallisen menetelmän ultraäänikirurgian lämpöannoksen optimoimiseksi. Menetelmä on täysin uudentyyppinen edellisiin lähestymistapoihin verrattuna ja se perustuu optimaaliseen säätöteoriaan. Kehitetty menetelmä on kaksivaiheinen. Ensimmäisessä vaiheessa ratkaistaan optimointitehtävään liittyvä mallipohjainen epälineaarinen säätöongelma halutun lämpöannoksen saavuttamiseksi. Tämän säätöongelman ratkaisu on lähtökohtana itse hoitotapahtumalle. Koska mallinnusvirheitä voi esiintyä käytetyissä matemaattisissa malleissa, pelkästään malliin perustuva laskenta ei aina riitä vastaamaan hoidon tarkkuusvaatimuksia. Ultraäänikirurgian aikana lämpötila saadaan mitattua kudoksista magneettikuvauksen avulla. Menetelmän toinen vaihe koostuukin tätä lämpötiladataa hyväksi käyttävästä takaisinkytkennästä. Simulaatiotulokset ovat osoittaneet, että väitöskirjatyössä kehitetty takaisinkytkentäjärjestemä mahdollistaa suurtenkin mallinnusvirheiden kompensoinnin hoidon aikana.

Väitöskirjatyö on tehty Kuopion yliopiston sovelletun fysiikan laitoksella. Menetelmää on lisäksi kehitetty yhteistyössä Harvardin ja Oxfordin yliopistojen kanssa. Väitöskirjatyön tietokonesimulaatioista saadutn tulokset ovat hyvin lupaavia ja edesauttavat osaltaan ultraäänikirurgian kehitystä kliiniseksi syöpäterapiamuodoksi.