MUNIN - Ultrasound detection, characterization, and treatment of (prostate) cancer

Tidlig diagnostisering er alfa og omega for et vellykket resultat av kreftbehandling. Ultralyd er en lettvint og portabel avbildningsteknologi som ofte er det første man undersøker pasienter med. For å kunne diagnostisere må man i ultralydbildene kunne skille mellom ulike vevstyper, friskt og malignt vev. Dette er ikke alltid mulig på vanlige ultralydbilder, og pasienten må ofte gjennom ubehagelige og tidkrevende utredninger med flere biopsier. I dette prosjektet vil vi jobbe med å utvikle en helt ny ultralydavbildningsmetode, som avbilder en egenskap med vevet kalt den ikke-lineære elastisiteten (NBE). Denne egenskapen varierer stort mellom ulike vevstyper, og vil gi legene en ny og komplementær informasjon som potensielt kan forbedre diagnostiseringen med ultralyd. Vi vil lage disse bildene ved å benytte oss av tofrekvent ultralyd, «SURF imaging». Vi vil i løpet av prosjektet designe og bygge prober for to-frekvent ultralyd, og utvikle algoritmer og programvare som prosesserer de to-frekvente signalene for å lage bilder av NBE. I samarbeid med Radiumhospitalet vil teknologien testes ut, i første omgang med fokus på pasienter med prostatakreft, for å studere den kliniske nytteverdien. I tillegg til diagnostisering kan ultralyd også brukes i forbindelse med behandling av kreft. Spesielt har ultralyd i kombinasjon med små gassbobler, mikrobobler, vist lovende resultater. Disse boblene vibrerer i kapillærene der de blir truffet av ultralydstrålen, og disse vibrasjonen kan øke transporten av medikamenter inn til tumoren. Det er en utfordring å vite hvordan man skal stille inn ultralydstrålene, da egenskapene til tumoren kan påvirke hvor mye boblene vibrerer. Vi vil derfor i dette prosjektet også undersøke om informasjonen vi får om tumoren og boblene fra den nye avbildningsmetoden kan brukes til å optimalisere vibrasjonene. Til nå i prosjektet har vi fullført designet av en to-frekvens 9/0.65 MHz transrektal ultralydprobe som skal brukes i klinikk for avbildning av prostata. Spesifikasjonen er oversendt underleverandør og vi venter nå på at den skal bli ferdigbygget. I mellomtiden har vi satt i gang med en rekke eksperimentelle in-vitro og ex-vivo forsøk for å teste og forbedre metoden for avbildning av NBE. Blant annet har vi vist i kunstige vevsetterlignende materialer (fantomer) at vi klarer å tydelig skille mellom ulike nivåer av kontrast i NBE, informasjon som er usynlig i vanlige ultralydbilder. Vi har også vist hvordan NBE er sensitiv til fettinnhold, noe som er interessant for diagnostisering av blant annet leversykdom. Det er også gjennomført en masteroppgave som har gitt oss en første innsikt i verdier av NBE i krefttumorer fra bukspyttkjertel dyrket i mus. Gjennom dette arbeidet har vi forbedret robustheten til algoritmene, bl.a. ved å ta i bruk av multiple iterasjoner av estimeringen, og vi har også kraftig forbedret hastigheten til algoritmene slik at vi nå har en versjon som kjører i sanntid på ultralydscanneren Verasonics Vantage 256. Preliminære forsøk på in-vivo avbildning av muskelvev viser dog at vi fortsatt må jobbe mer med robusthet, da det in-vivo ofte er mye større støykilder som gir artifakter i bildene. I den terapeutiske delen av prosjektet har vi utviklet simuleringsmodeller for vibrasjon av mikrobobler i kapillærer, og gjennom dette oppdaget en mulig metodikk for å måle vibrasjonsamplituden til boblene in-vivo som vi vil teste ut videre, da det er viktig for effekten av kreftterapi med mikrobobler at boblene vibrerer med en stor nok amplitude. Samarbeidet mellom klinikere og teknologer i dette prosjektet har forøvrig gitt opphav til en stor idemyldring rundt mulige metoder for hvordan vibrasjoner av mikrobobler kan utnyttes for forbedret kreftterapi, og vi gleder oss til fortsettelsen.

-

The MUNIN project addresses quantitative imaging of nonlinear bulk elasticity (NBE) of soft tissues for improved ultrasound detection and characterization of cancer, together with low frequency vibration of intra-capillary micro-bubbles for mediation of drug delivery to cancer cells. With dual frequency ultrasound the NBE can be estimated from scattered waves, in contrast to other bulk parameters that require transmission of ultrasound, i.e. only breast imaging. Recent years have seen a large development of ultrasound shear wave imaging for tissue characterization, with some interesting clinical results. The NBE parameter depends on the interatomic distance potential, where the shear/deformation elasticity (SE) parameter depend on the bio-molecular structure of the tissue. The NBE and the SE parameters are hence complementary parameters that combined can improve the characterization of tissues. The project focuses on improved detection, characterization, and treatment for prostate cancer (PC), the deadliest cancer in Norway and one of the deadliest in the western world (WW). In the WW a yearly # of positive PSA tests is ~ 13 mill with ~ 90% false positives, i.e. only ~ 1 mill have PC. Further examination gives ~ 200 000 that require treatment. An estimated 200 - 300 000 die from PC each year. The final diagnosis is done by ~ 12 ultrasound-guided biopsies that require a lot of expensive examinations, with pain and anxiety for the patient. Current extensive research examines use of MR imaging for better targeted and fewer biopsies. However, this is a complex procedure and clinical studies so far show unclear results. The MUNIN project targets to help this situation with low cost ultrasound at the front of the healthcare system. Ultrasound vibration of intra-capillary micro-bubbles have also shown to improve efficacy of cancer drugs, where the MUNIN technology allows dual frequency tumor imaging and characterization for simultaneous guidance of therapy beams.