Development of a flow-through applicator for in vitro extracorporeal shock wave therapy (ESWT)

Abstract

Electrohydraulic extracorporeal shock wave therapy is widely used in the noninvasive, regenerative treatment of various indications. Nevertheless, this method cannot currently treat body fluids and tissue in larger quantities in vitro. In vitro treatment could be helpful in treating cells before it is further processed, for example, for stem cell extraction. To tackle this problem, a prototype of a flow-through applicator was developed and tested technically to evaluate the feasibility of this approach. This applicator was developed as an adapter for existing ESWT applicators to generate a larger treatment volume for body fluids and tissue in vitro. Extensive simulations were first utilized to develop and test designs for their efficacy in silicon. The simulations were made with the MATLAB toolbox k-Wave. Subsequently, two prototypes were created for experimental validation of the simulated performance. A central part of the simulations and the prototype was the design of a waveguide with a specific inner diameter placed within the focal field of an ESWT applicator. During the research for this thesis, it was also discovered that the shock wave applicator’s precision depends on the age of the spark-gap electrodes used in the applicator. This is due to the erosion of the electrodes that generate the spark in the applicator head.The simulations and the measurements of the prototypes are shown to provide comparable results, which, in conclusion, shows that the concept of a flow-through applicator is viable but needs further validation regarding its biological effect.

Elektrohydraulische Extrakorporale Stoßwellen Therapie wird in verschiedenen Bereichen der Medizin und Forschung verwendet. Trotzdem kann diese Methode derzeit nicht für in vitro Behandlungen von größeren Mengen von Körperflüssigkeiten und Geweben verwendet werden. In vitro Behandlung könnte hilfreich sein, um Gewebe zu behandeln, bevor es weiterverarbeitet wird, z. B, für die Gewinnung von Stammzellen aus Fettgewebe. Um dieses Problem zu lösen, wurde in dieser Arbeit ein Durchflussapplikator als Prototyp entwickelt, um die Durchführbarkeit dieses Ansatzes zu bewerten. Dieser Applikator wurde als Adapter für bestehende ESWT Applikatoren entwickelt, um ein größeres Behandlungsvolumen für Körperflüssigkeiten und Gewebe in vitro zu ermöglichen. Zunächst wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt, um Designs zu entwickeln und auf ihre Wirksamkeit in silico zu testen. Die Simulationen wurden mit der MATLAB-Toolbox k-Wave durchgeführt. Anschließend wurden zwei Prototypen zur experimentellen Validierungder simulierten Leistung erstellt. Ein zentraler Bestandteil der Simulationen und des Prototyps war das Design eines Wellenleiters mit einem bestimmten Innendurchmesser, der im Fokusfeld eines ESWT-Applikators platziert wurde. Während der Forschung für diese Arbeit wurde auch festgestellt, dass die Präzision des Stoßwellenapplikators vom Alter der im Applikator verwendeten Funkenstrecken-Elektroden abhängt. Dies ist auf die Erosion der Elektroden zurückzuführen, die den Funken im Applikatorkopf erzeugen. Die Simulationen und die Messungen an den Prototypen liefern vergleichbare Ergebnisse, was zeigt, dass das Konzept eines Durchflussapplikators realisierbar ist. Dieser Applikator soll nun im nächsten Schritt bezüglich der biologischen Wirksamkeit getestet werden.