Examinations of the acoustic scattering signal in lithotripsy

Abstract

Extrakorporale Stoßwellenlithotripsie ist eine medizinische Behandlungsmethode in der mittels einer fokussierten, hochintensiven akustischen Schockwelle Nierensteine und andere Ablagerungen behandelt werden. Sie wird generell in Kombination mit einem bildgebendem Verfahren (Ultraschall oder Röntgen) verwendet, um den Behandlungsfortschritt und die korrekte Positionierung des Fokuspunkts zu überwachen.<br />In 2007 entstand bei einem Gespräch zwischen Dr Stefan Radel (Technische Universität Wien) und Dr Dominik Pernkopf (Krankenhaus Hietzing) die Frage, ob es nicht möglich wäre Informationen aus dem akustischen Signal der Behandlungsmethode selbst zu extrahieren, insbesonders eventuelle charakteristische Frequenzen.<br />Die Aufgabestellung der Diplomarbeit war es, ein zur Klärung dieser Fragestellung geeignetes Messverfahren unter Verwendung eines Lithotripters zu entwickeln, und dann Messungen an Nierensteinen in vitro durchzuführen. Nach einigen grundlegenden Messungen an der TU Wien wurde eine extensivere Messserie in einem Ultraschall Mess Tank an der Palacky Universität Olmütz durchgeführt. Die akustischen Signale für 5 Nierensteine, 2 Stahlkugeln und ein Nierensteinphantom - eingegossen in Agar - wurden aufgenommen und in Österreich analysiert.<br />Es konnten Unterschiede zwischen den Signalverläufen je nach untersuchtem Ziel erkannt werden, aber es war nicht möglich deutliche Nachweise fuer die Existenz von charakteristischen Resonanzfrequenzen zu finden. Allerdings wurden einige Verbesserungs- möglichkeiten am Versuchsaufbau ersichtlich, die bessere Resultate liefern könnten. Ein potentieller neuer Versuchsaufbau wird am Ende der Diplomarbeit vorgeschlagen.<br />

Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy is a medical procedure which utilizes a focused, high-intensity acoustic shock wave to treat kidney stones and other calculi. It is used in combination with either an ultrasound or x-ray imaging procedure to monitor the procedures progress and to correctly align the lithotripter focal point with its intended target. In 2007, Dr Stefan Radel (Vienna University of Technology) and Dr Dominik Pernkopf (General Hospital Hietzing) conferred about the possibility of extracting information from the procedure's acoustic signal itself, and especially whether any stone specific resonance frequencies exist in it.<br />The task set for this thesis was to design a measurement setup suitable to detect any such characteristic frequencies and to then conduct measurements on a few actual kidney stones suspended in agar using a lithotripter. After initial measurements at the Vienna University of Technology an extensive measurement series in an ultrasound measurement tank located at the Palacky University in Olomouc was conducted. The acoustic signals of 5 kidney stones, 2 steel bearing balls and a kidney stone phantom - all of which were suspended in Agar - were recorded there, and then analyzed back in Austria.<br />While differences between the waveforms of different samples were observed, no evidence for characteristic frequencies could be found.<br />However, several possible improvements to the measurement setup became apparent over the course of the thesis. They could yield better results, and are included in a proposed new measurement setup at the end of this thesis.<br />