Analýza akustického signálu provázejícího ultrazvukovou kavitaci

Ing. Kamil Brabec, Ph.D.

Doctoral thesis

Analysis of acoustic signal acompanying ultrasonic cavitation

Abstract:

V ultrazvukové diagnostice a terapii představují kavitační jevy nezanedbatelné riziko, proto je nutné je včas a účinně detekovat. Zvláště při používání echokontrastních látek na bázi mikrobublin představuje kavitace výrazné riziko. Je vyvíjena metoda detekce kavitace, která je založena na zvýšení hladiny kavitačního šumu v oblasti nízkých frekvencí (okolo 1 Hz). Metoda se provozuje in-vitro za použití modelu tělesné tekutiny s echokontrastní látkou. Jako ekvivalent echokontrastní látky Albunex (dále EKL) byl použit 5 % chlazený roztok lyofilizovaného vaječného albuminu ozvučeného plným výkonem ultrazvukového dezintegrátoru po dobu 2 minut. Do měřicí komory je aplikováno 250 ml roztoku, a ten je pak ozvučován ultrazvukem o frekvenci 1 MHz a intenzitě 0 až 1,3 W.cm-2. Ultrazvuk potom vyvolává v prostředí mikrobublin kavitaci a tím i odpovídající hladinu a kvalitu kavitačního akustického šumu. Ten je předzesílen, navzorkován a zpracován pomocí diskrétní Fourierovy transformace. V oblasti 0,1 až 2 Hz se potom zvyšuje úroveň šumového napětí. Pomocí této metody lze určit hodnotu intenzity kavitačního prahu (intenzity ultrazvuku, při níž dochází ke kavitaci). Cílem práce je zjistit, jak ovlivní polohu kavitačního prahu změna podmínek měření a působení různých fyzikálních faktorů, jako je zvýšení teploty, změna viskozity nebo proudění média. Prvním experimentem bylo měření kavitačního prahu destilované vody, kde kavitace nebyla pozorována. Dalším experimentem bylo měření kavitačního prahu EKL při laboratorních podmínkách. Další dva experimenty byly zaměřeny na studium vlivu změny fyzikálních podmínek. Při zvyšování teploty se kavitační práh EKL znatelně snižoval až k limitní hodnotě. Při zvyšování viskozity se kavitační práh zvýšil. Bylo také provedeno měření kavitačního prahu komerčně vyráběné echokontrastní látky SonoVue v ekvivalentu tělní tekutiny (dále ETT). Byl změřen také kavitačního prahu EKL a SonoVue v průtočném systému. U EKL i SonoVue bylo zaznamenáno zvýšení kavitačního prahu. Na závěr byla změřena životnost mikrobublin EKL i SonoVue. Po vyhodnocení experimentů lze učinit závěr, že použití současných echokontrastních látek není z hlediska kavitačních jevů nebezpečné při dodržení zásad práce s těmito látkami.

Abstract:

The cavitation phenomenon constitutes a potential hazard in ultrasound diagnostics and therapy so that early and effective detection of cavitation is of great interest. Cavitation represents an even higher risk when microbubble-based echocontrast agents are used. Ultrasound produces cavitation in microbubble suspensions accompanied by a certain level of cavitation acoustic noise. The detection method presented in this study to detect the onset of cavitation is based on the increased intensity of cavitation noise in the range of low frequencies (about 1 Hz). The method was applied in vitro using a body fluid model containing an echocontrast agent substitute (5% solution of lyophilized egg albumin equivalent to the echocontrast agent EECA). This was sonicated at the maximum power of an ultrasonic disintegrator for 2 minutes. In the subsequent experiment 250 ml of solution in the chamber was sonicated using 1 MHz ultrasound at various intensities in the range of 0 – 1.3 W.cm-2. The signal resulting from the cavitation acoustic noise was preamplified, sampled and processed by Fast Fourier Transform. In the presence of cavitation, the signal amplitude increased in the frequency range of 0.1 to 2.0 Hz. It is possible, using this method, to determine the value of the cavitation threshold (i.e. the intensity of emitted ultrasound signal at the onset of cavitation). The purpose of our study was also to find out how the cavitation threshold is affected by changing the physical conditions like temperature, viscosity and flow rate. The first experiment was a control measurement of the cavitation threshold in distilled water. Using this medium it was difficult to observe any cavitation under given conditions. The second experiment was the measurement of the cavitation threshold of EECA in normal laboratory conditions. The next two experiments were carried out to examine the effects of changes of the physical conditions. The cavitation threshold decreased with increasing temperature and increased with viscosity. The cavitation threshold of the commercial echocontrast agent SonoVue was similarly examined. The last experiments involved the measurment of the cavitation threshold of EECA and SonoVue in flow-through conditions and measuring of the durability of microbubbles of EECA and SonoVue. We conclude that the present use of echocontrast agents is not dangerous from the cavitation point of view, provided the recommendations of the manufacturers are followed.

Keywords

kavitace, kavitační práh, echokontrastní látky, SonoVue, bezpečnost při použití ultrazvuku, šum, nízkofrekvenční analýza

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 9. 2007

Thesis defence

• Date of defence: 31. 10. 2007
• Supervisor: prof. RNDr. Vojtěch Mornstein, CSc.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
General Medicine / Medical Biophysics