High-intensity focused ultrasound. Principles, therapy guidance, simulations and applications

In the past two decades, high-intensity focused ultrasound (HIFU) in combination with diagnostic ultrasound (USgFUS) or magnetic resonance imaging (MRgFUS) opened new ways of therapeutic access to a multitude of pathologic conditions. The therapeutic potential of HIFU lies in the fact that it enables the localized deposition of high-energy doses deep within the human body without harming the surrounding tissue. The addition of diagnostic ultrasound or in particular MRI with HIFU allows for planning, control and direct monitoring of the treatment process. The clinical and preclinical applications of HIFU range from the thermal treatment of benign and malign lesions, targeted drug delivery, to the treatment of thrombi (sonothrombolysis). Especially the therapy of prostate cancer under US-guidance and the ablation of benign uterine fibroids under MRI monitoring are now therapy options available to a larger number of patients. The main challenges for an abdominal application of HIFU are posed by partial or full occlusion of the target site by bones or air filled structures (e.g. colon), as well as organ motion. In non-trivial cases, the implementation of computer based modeling, simulation and optimization is desirable. This article describes the principles of HIFU, ultrasound and MRI therapy guidance, therapy planning and simulation, and gives an overview of the current and potential future applications.

Hochenergetischer fokussierter Ultraschall (HIFU) appliziert unter US-diagnostischer (USgFUS) oder Magnetresonanz-tomographischer (MRgFUS) Kontrolle hat in den letzen 20 Jahren neuartige therapeutische Ansätze für eine Vielzahl von Erkrankungen geschaffen. Das therapeutische Potential von HIFU besteht darin, dass hohe Mengen Energie sehr lokalisiert in der Tiefe des menschlichen Körpers appliziert werden können ohne dabei die umgebenden Strukturen zu schädigen. Die Kombination mit der Ultraschall- und insbesondere der MR-Bildgebung erlaubt die Planung, Kontrolle und das direkte Monitoring des Behandlungsfortschritts. Die Anwendungen von HIFU reichen von der thermischen Behandlung benigner und maligner Läsionen über die gezielte Verabreichung von Medikamenten (targeted drug delivery) bis hin zur Behandlung von Thrombosen (Sonothrombolyse). So stehen nun mit der Therapie des Prostatakarzinoms unter US-Kontrolle und der Ablation von Uterusmyomen unter MRT-Kontrolle zwei HIFU-Therapiemodalitäten einer größeren Patientenzahl zur Verfügung. Eine große Herausforderung bleibt die Therapie abdomineller Organe die sich einerseits bewegen und andererseits durch Knochen oder luftgefüllte Strukturen, wie den Darm, partiell oder total verdeckt werden. Für solche Fälle wird die Kombination mit anderen bildgebenden Verfahren und Computerunterstützung zur Modellierung, Simulation und Optimierung in der Planung und Durchführung der HIFU-Behandlung untersucht. Der Artikel beschreibt die Grundlagen von HIFU, die Therapieüberwachung mit diagnostischem Ultraschall und MRT, die Therapieplanung und die Simulation. Zudem wird ein Überblick der aktuellen und in Zukunft möglichen Anwendungen gegeben.