Thesis by TAVAKKOLI Jahangir
Study of intensive focused ultrasonic pulse propagation in biological media : application to shock wave-induced tissue destruction in vitro and in vivo.
Defended on 23 april 1997
This work helps to give a more exact experimental and theoretical insight of the evolution of the focused finite-amplitude ultrasonic pulse during its propagation in biological media. The results of this study have been directly used for tissue destruction applications by shock wave-induced cavitation. For this reason, a newly-developed shock-wave generator with electronic focusing capability was used. A series of measurements was made for acoustic pressure field characterization of the shockwave generator in different media. For these measurements, specially in the vicinity of the focal region, a new shock-wave hydrophone was developed and used successfully. The key element of this device is a commercially available, disposable PVDF shock gauge. This lowcost, reproducible hydrophone is wideband enough to measure accurately shock pressure waveform parameters. Furthermore, its special coplanar membrane design makes it possible to use this device even in conductive media, such as physiological liquids, with a negligible change of sensitivity. To gain a more concrete understanding of the complex phenomenon of shock wave propagation in tissue, and to verify the experimental results, we developed a theoretical model to simulate the propagation of focused finite-amplitude ultrasonic pulses in soft tissue. In this time-domain model the main effects responsible in acoustic pulse focusing in a dissipative and nonlinear medium were taken into account. Very good agreement obtained between the theoretical and experimental results shows the accuracy of the measurements on one hand, and the validity of the model on the other. After obtaining the main characteristics of the shock-wave field created by the generator, both experimentally and theoretically, a series of clinical experiments was arranged to study the organized tissue destruction in the rabbit liver in vivo and in the isolated perfused pig liver in vitro. Two different methods of scanning, i.e. mechanical scanning and electronic focusing, were used to obtain a pre-defined lesion volume. Macroscopic and histological studies revealed the possibility of obtaining very well-focused, reproducible lesions using both methods of scanning. These results demonstrate the feasibility of dynamic beam steering of shock waves, as a new method of scanning, in tissue destruction applications. Both experimental and theoretical results showed that this generator produces a special kind of shock waveform at its focal region. This shock waveform begins with a half cycle of negative pressure followed by a very steep shock front that considerably amplifies the effect of cavitation. We believe that this powerful cavitation effect has an essential role in the development of reproducible lesions in organized tissue.
Etude de la propagation des ultrasons pulsés, focalisés, et de grande amplitude dans les milieux biologiques : application à la destruction tissulaire par des ondes de choc in vitro et in vivo
Soutenue le 23 April 1997
Ce travail est une contribution à une meilleure connaissance expérimentale et théorique de l'évolution des ondes ultrasonores de forte amplitude au cours de leur propagation dans les milieux biologiques en vue d'une application en destruction tissulaire par cavitation. Pour cela, nous avons utilisé un nouveau générateur piézocomposite d'ondes de choc qui possède la particularité de pouvoir focaliser électroniquement le faisceau ultrasonore dans un volume autour du foyer. Les mesures caractérisant le champ acoustique du générateur dans différents milieux ont pu être réalisées grâce à la conception d'un nouvel hydrophone spécialement adapté aux ondes de choc. Cet hydrophone, construit autour d'une jauge en PVDF, disponible commercialement, et interchangeable, rend son coût particulièrement attractif. Sa bande passante est suffisamment large pour une mesure précise de la forme temporelle des ondes de choc. De plus, un montage original de la membrane permet de l'utiliser, même dans les milieux conducteurs, sans modification significative de sa sensibilité. Afin de mieux comprendre le phénomène de propagation des ondes de choc dans les tissus et de vérifier les résultats expérimentaux obtenus, nous avons développé un nouveau modèle théorique permettant de simuler la propagation des ultrasons pulsés, focalisés, et de grande amplitude dans les milieux biologiques . Dans ce modèle temporel, nous avons tenu compte des principaux effets intervenant lors de la propagation d'une onde acoustique focalisée dans un milieu dissipatif et non linéaire. La bonne concordance entre les résultats théoriques et expérimentaux justifie a posteriori la qualité des mesures et l'exactitude du modèle. Après avoir approfondi nos connaissances dans le domaine de la propagation des ondes de choc focalisées dans les tissus et dans un but d'évaluer les possibilités de destruction tissulaire, nous avons effectué une série d'expériences cliniques sur le foie de lapin in vivo et sur le foie de porc isolé perfusé in vitro. Dans ces deux cas, des lésions parfaitement délimitées et reproductibles ont été obtenues et confirmées macroscopiquement et histologiquement. Deux méthodes différentes de balayage du volume de la lésion ont été utilisées (mécanique et focalisation électronique). Il a été montré que les lésions étaient comparables quel que soit le mode de balayage retenu, ce qui justifie l'utilisation de la focalisation électronique du faisceau ultrasonore d'onde de choc à des fin de destruction tissulaire. Toutes ces expérimentations confirment que la cavitation joue un rôle majeur dans ce mode de destruction tissulaire. Nous pensons que l'onde de choc générée, caractérisée par une première arche de pression négative, suivie d'une onde de pression positive fortement choquée, est responsable du très fort effet de cavitation, et donc de l'obtention de lésions importantes dans les tissus.
Defended on 23 april 1997
This work helps to give a more exact experimental and theoretical insight of the evolution of the focused finite-amplitude ultrasonic pulse during its propagation in biological media. The results of this study have been directly used for tissue destruction applications by shock wave-induced cavitation. For this reason, a newly-developed shock-wave generator with electronic focusing capability was used. A series of measurements was made for acoustic pressure field characterization of the shockwave generator in different media. For these measurements, specially in the vicinity of the focal region, a new shock-wave hydrophone was developed and used successfully. The key element of this device is a commercially available, disposable PVDF shock gauge. This lowcost, reproducible hydrophone is wideband enough to measure accurately shock pressure waveform parameters. Furthermore, its special coplanar membrane design makes it possible to use this device even in conductive media, such as physiological liquids, with a negligible change of sensitivity. To gain a more concrete understanding of the complex phenomenon of shock wave propagation in tissue, and to verify the experimental results, we developed a theoretical model to simulate the propagation of focused finite-amplitude ultrasonic pulses in soft tissue. In this time-domain model the main effects responsible in acoustic pulse focusing in a dissipative and nonlinear medium were taken into account. Very good agreement obtained between the theoretical and experimental results shows the accuracy of the measurements on one hand, and the validity of the model on the other. After obtaining the main characteristics of the shock-wave field created by the generator, both experimentally and theoretically, a series of clinical experiments was arranged to study the organized tissue destruction in the rabbit liver in vivo and in the isolated perfused pig liver in vitro. Two different methods of scanning, i.e. mechanical scanning and electronic focusing, were used to obtain a pre-defined lesion volume. Macroscopic and histological studies revealed the possibility of obtaining very well-focused, reproducible lesions using both methods of scanning. These results demonstrate the feasibility of dynamic beam steering of shock waves, as a new method of scanning, in tissue destruction applications. Both experimental and theoretical results showed that this generator produces a special kind of shock waveform at its focal region. This shock waveform begins with a half cycle of negative pressure followed by a very steep shock front that considerably amplifies the effect of cavitation. We believe that this powerful cavitation effect has an essential role in the development of reproducible lesions in organized tissue.
Etude de la propagation des ultrasons pulsés, focalisés, et de grande amplitude dans les milieux biologiques : application à la destruction tissulaire par des ondes de choc in vitro et in vivo
Soutenue le 23 April 1997
Ce travail est une contribution à une meilleure connaissance expérimentale et théorique de l'évolution des ondes ultrasonores de forte amplitude au cours de leur propagation dans les milieux biologiques en vue d'une application en destruction tissulaire par cavitation. Pour cela, nous avons utilisé un nouveau générateur piézocomposite d'ondes de choc qui possède la particularité de pouvoir focaliser électroniquement le faisceau ultrasonore dans un volume autour du foyer. Les mesures caractérisant le champ acoustique du générateur dans différents milieux ont pu être réalisées grâce à la conception d'un nouvel hydrophone spécialement adapté aux ondes de choc. Cet hydrophone, construit autour d'une jauge en PVDF, disponible commercialement, et interchangeable, rend son coût particulièrement attractif. Sa bande passante est suffisamment large pour une mesure précise de la forme temporelle des ondes de choc. De plus, un montage original de la membrane permet de l'utiliser, même dans les milieux conducteurs, sans modification significative de sa sensibilité. Afin de mieux comprendre le phénomène de propagation des ondes de choc dans les tissus et de vérifier les résultats expérimentaux obtenus, nous avons développé un nouveau modèle théorique permettant de simuler la propagation des ultrasons pulsés, focalisés, et de grande amplitude dans les milieux biologiques . Dans ce modèle temporel, nous avons tenu compte des principaux effets intervenant lors de la propagation d'une onde acoustique focalisée dans un milieu dissipatif et non linéaire. La bonne concordance entre les résultats théoriques et expérimentaux justifie a posteriori la qualité des mesures et l'exactitude du modèle. Après avoir approfondi nos connaissances dans le domaine de la propagation des ondes de choc focalisées dans les tissus et dans un but d'évaluer les possibilités de destruction tissulaire, nous avons effectué une série d'expériences cliniques sur le foie de lapin in vivo et sur le foie de porc isolé perfusé in vitro. Dans ces deux cas, des lésions parfaitement délimitées et reproductibles ont été obtenues et confirmées macroscopiquement et histologiquement. Deux méthodes différentes de balayage du volume de la lésion ont été utilisées (mécanique et focalisation électronique). Il a été montré que les lésions étaient comparables quel que soit le mode de balayage retenu, ce qui justifie l'utilisation de la focalisation électronique du faisceau ultrasonore d'onde de choc à des fin de destruction tissulaire. Toutes ces expérimentations confirment que la cavitation joue un rôle majeur dans ce mode de destruction tissulaire. Nous pensons que l'onde de choc générée, caractérisée par une première arche de pression négative, suivie d'une onde de pression positive fortement choquée, est responsable du très fort effet de cavitation, et donc de l'obtention de lésions importantes dans les tissus.
