Effects of ultrasound induced cavitation mechanisms on biological systems

Abstract

Es ist von größter Bedeutung, die Forschung an modernen Techniken im Bereich der Neurowissenschaften voranzutreiben. Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung einer transkraniellen Anwendung von fokussiertem Ultraschall, die es ermöglicht neurologische Erkrankungen zu behandeln. Die zugrunde liegende Forschungstätigkeit für diese Diplomarbeit trägt maßgeblich dazu bei, eine solche Technik im klinischen Bereich zu etablieren.Therapeutischer Ultraschall kann entweder einen "thermischen" oder "nicht-thermischen" (mechanischen) Effekt auf biologisches Gewebe bewirken. Es macht durchaus Sinn, aufgrund dieser zwei Effekte, eine thermische Therapie von einer mechanischen Therapie zu unterscheiden, wobei die erste Form mit der physikalischen Größe "Intensität" und die zweite mit der physikalischen Größe "Druck" verbunden wird. Alle Messungen wurden an menschlichen Schädelknochen von Leichen durchgeführt. Eines der Hauptziele dieser Forschung war es, zwei akkustische Volumina innerhalb eines Schädelknochens zu definieren. Diese Bereiche, die sogenannten Treatment Envelopes (TE), wurden anhand ihres zugrunde liegenden Effekts in einen "thermisch-therapeutischen" TE und einen "mechanisch-therapeutischen" TE unterteilt. Die Tatsache, dass laut Baron, Aubry et al. (2009) Intensität proportional dem Quadrat des negativen Spitzendrucks ist, führte zur Annahme, dass der "mechanisch-therapeutische" TE ein größeres Volumen im Schädel als der "thermische-therapeutische" TE beschreibt. Diese Theorie konnte in der Praxis bewiesen werden. Des Weiteren wurden Messungen am "mechanisch-therapeutischen" TE durchgeführt. Im Speziellen wurde dabei der äußerst wichtige mechanische Effekt der Kavitation in An- und Abwesenheit von Mikrobläschen erforscht. Die eigens dafür entwickelte Methode der passiven Kavitations Detektion ermöglichte es, Grenzwerte für Kavitation zu definieren. Nicht nur die Richtigkeit der TEs konnte damit bewiesen werden, es war auch möglich, den Einfluss von Mikrobläschen auf den Grenzwert zu demonstrieren. Dieser ist, wie vermutet, niedriger, wenn Mikrobläschen anwesend sind. Die durchgeführte Forschungsarbeit führt zur Annahme, dass eine Therapie basierend auf den mechanischen Effekten (e.g. Kavitation, v.A. in Anwendung mit Mikrobläschen) einen größeren Wirkungsbereich in der Hirnregion als eine thermisch-basierte Anwendung (e.g. Tumorablation) haben sollte. Diese Erkenntnis ist von großer Bedeutung für jegliche Entwicklung von Anwendungen des fokussierten Ultraschalls im Bereich der Neurowissenschaften.

Modern techniques in neuroscience such as the application of transcranial focused ultrasound (FUS) need to be explored in order to diagnose or treat a variety of neurological disorders. Research within this thesis is another big step towards the integration of this technology into regular clinical practice.Therapeutic applications of FUS cause thermal or non-thermal (mechanical) effects on biological tissue. It is therefore necessary to separate thermal therapy from mechanical therapy, whereas the first form is related to the physical property "intensity", the latter to "pressure". All measurements presented in this work were performed using two human cadaver skulls. One of the main aims of this thesis was to determine two different volumes per skull. These two volumes were termed the "thermal-therapy" treatment envelope (TE) and the "mechanical-therapy" TE based on their underlying effect. According to Baron, Aubry et al. (2009) intensity is proportional to the square of the peak negative pressure, which led to the assumption that the "mechanical-therapy" TE describes a larger volume within the skull than the "thermal-therapy" TE. This theory has been proved by the measurements of the acoustic field distribution within the skulls. Furthermore, additional measurements on the "mechanical-therapy" TE, especially on the important mechanical effect of cavitation without or in combination with microbubbles (MB) were performed. These cavitation studies included the development of a passive cavitation detection (PCD) method by that the threshold in peak negative pressure for a cavitation event was determined. Results not only proved the correctness of the treatment envelopes they also demonstrated that the threshold for a cavitation event was significantly lower if MBs were present. All in all, this research suggests that a mechanical based therapy (e.g. cavitation, particularly with MBs) might be applied to brain regions beyond the capability of thermal based applications (e.g. tumor ablation). This knowledge could be of high practical relevance for any new FUS technology in the field of neuroscience.