Building a measurement setup for the investigation of acoustic cavitations for medical applications

Abstract

Çeşitli noninvazif tıbbi tedaviler yüksek yoğunluklu ultrason veya şok dalgalarınadayanır. Harici olarak oluşturulan basınç dalgaları vücut içine büyük miktarda enerjitransfer eder. Bu tür tedavilerde istenilen etkilerin oluşumuna kavitasyonun sebepolduğuna dair kanıtlar bulunmaktadır. Kavitasyon, gaz kabarcıklarının oluşup anidenşiddetli olarak çökmesi sonucu kabarcıkların içindeki gazın dışarıya verilmesi olayıdır.Kavitasyon olayının önemli rol oynadığı tıbbi tedaviler arasında ekstrakorporeal şokdalgaları ile böbrek taşlarının kırılması, tümörlerin noninvazif olarak ısıtılması, bölgeselilaç verilmesi ve verilen ilacın dokular tarafından daha etkin bir şekilde alınmasıgelmektedir. Maalesef kavitasyon oluşumu sırasında vücuda verilen enerjinin kontrolüçok güç olup, genellikle etkisiz tedavi, iç kanama ve istenmeyen doku zedelenmelerinesebep olmaktadır.Bu çalışmada, mikrokabarcık kavitasyonunun oluşumunu ve kavitasyonun yüksekyoğunluklu odaklanmış ultrason (HIFU) altında böbrek taşları üzerinde olası etkilerinigözlemleyebilmek için bir ölçüm düzeneğinin dizaynı, geliştirilmesi ve test edilmesigerçekleştirilmiştir. Ultrasonifikasyon sırasında optik kavitasyon ölçümü dijital birkamera araciliği ile gerçekleştirilmiştir ve aktif ve pasif kavitasyon yöntemlerikullanılarak kavitasyonun oluşumu gözlemlenmiştir. Değişik mikrokabarcıklarınkavitasyon özellikleri test edilmiş ve böbrek taşlarının HIFU altında gerçekleştirilenkavitasyonla kırılıp kırılmadığı yapay böbrek taşları kullanılarak denenmiştir. İlkölçümlerin sonuçlarına göre kavitasyonun HIFU altında böbrek taşlarının kırılmasıüzerinde önemli bir etkiye sahip olmadığı görülmüştür.Anahtar Sözcükler: ultrason; kavitasyon; mikrokabarcıklar; litortipsi, HIFU

Various noninvasive medical treatments rely on high intensity ultrasound or shockwaves. The externally generated pressure waves transfer a large amount of energy intothe body. There is evidence that in all of these treatments cavitation provides the maincontribution to the desired effects. Cavitation consists of the formation and violentcollapse of gas bubbles with sudden gas release. Examples of medical treatments wherecavitation plays an important role are the destruction of urinary calculi by application ofextracorporeal shock waves, the noninvasive ablation of tumors, localized drug delivery,and improved drug uptake by tissues. Unfortunately, the energy transfer during cavitationis often poorly controlled, frequently leading to inefficient treatment, hemorrhage, andundesired cell damage.In this study a setup is designed, built and tested to investigate microbubblecavitation and its possible effects on kidney stone destruction in combination with highintensity focused ultrasound (HIFU). Optical cavitation detection is monitored duringultrasound excitation by means of a digital camera. Active and passive cavitationdetection techniques are used to detect cavitation events. Micro bubbles with differentshell types and size distributions are tested. Artificial kidney stones are tested to seewhether the HIFU transducer is able to damage a kidney stone. Preliminary results do notshow, however, a significant influence of microbubble infusion on kidney stonedestruction by means of HIFU.Keywords: ultrasound; cavitation; microbubbles; lithotripsy; HIFU