Exploring Polymer-Shelled Microbubbles: Detection Modeling and Application
Tid: Fr 2020-12-11 kl 09.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_xhQ7-iQIQya3g89SOlLR4w, (English)
Ämnesområde: Teknik och hälsa
Respondent: Hongjian Chen , Medicinsk avbildning
Opponent: Professor Tomas Jansson, Department of Biomedical Engineering, Lund University
Handledare: Associate Professor Dmitry Grishenkov, ; Professor Birgitta Janerot-Sjöberg, KI, CLINTEC
Abstract
Ultraljudsavbildning (US) används ofta inom klinisk praxis. Med tanke påultraljudsmaskinens låga kostnad och enkla åtkomst har den förbättrade US en stor potentialför att förbättra hälsovården för majoriteten av världsbefolkningen. US kan förbättrasavsevärt genom att injicera ultraljudskontrastmedel för att göra blodflödet opakt.Mikrobubblor (MB) med polymerskal är lovande kandidater för nästa generationsultraljudskontrastmedel. I det aktuella doktorandprojektet undersöktes MB med en viss typav polymerskal, polyvinylalkohol (PVA) MB.
I Studie I och II utvecklade jag en ny kontrastpulssekvens, CPS4, för att effektivt detekteraPVA MB. CPS4 är en kombination av subharmoniska (SH), ultraharmoniska ochpulsinverteringstekniker. Jämförelsen av prestandan för varje enskild teknik och CPS4utfördes i en vävnadsfantom. CPS4 visade det högsta förhållandet mellan kontrast ochvävnad av alla fyra avbildningstekniker. SH- svar i CPS4 var dock inte helt exciterad. Dethöga SH-tröskelvärdet, över vilket ett SH-svar genereras, var misstänkt för att vara orsakentill den svaga SH-signalen. Därför ville jag optimera prestandan för CPS4 för detektering avPVA MB genom att öka SH-signalen. Optimeringsstrategin var att sänka detfrekvensberoende SH-tröskelvärdet genom att ställa in sändningsfrekvensen för CPS4, somär frekvensen hos den ultraljudsvåg som exciterar SH-svaret, vid den dämpaderesonansfrekvensen för PVA MB. För att uppskatta den dämpade resonansfrekvensenföreslogs en matematisk modell baserad på Churchs modell med frekvensberoendematerialegenskaper. De mekaniska parametrarna i den nya modellen estimerades genom attanpassa den uppmätta dämpningskoefficienten för PVA MB-suspensionen med densimulerade. Den kalibrerade modellen användes för att förutspå den dämpaderesonansfrekvensen för PVA MB, dvs. den optimerade SH-frekvensen för CPS4. CPS4-algoritmens prestanda utvärderades in vitro genom att köra systemet vid fyra olika frekvensersom ligger i närheten av den dämpade PVA MB-resonansfrekvensen. Den bästa prestandanobserverades vid 11.25 MHz, vilket är i linje med den simulerade dämpaderesonansfrekvensen på 10.85 MHz. In vitro-experimentet avslöjade också att de småpartiklarna som utgör den konstgjorda blodfantomen kan interagera med PVA MB ochminskade svarsekon på ett icke-linjärt och frekvensberoende sätt. Således behövs fler studierför att våra modellstyrda optimeringsmetoder för att CPS4 ska kunna tillämpas kliniskt.
I Studie III modifierade jag PVA MB:na för att stödja dubbelmodal avbildning för CT ochUS. Huvudidén med modifieringen är att införliva guldnanopartiklar i PVA MB. Huruvidamodifieringen är framgångsrik beror på storleken på nyttolasten som bärs av PVA MB. Tvåolika tillvägagångssätt föreslogs för att tillverka kandidater som stöder dubbelmodalavbildning. I det första tillvägagångssättet tillsattes guldnanopartiklarna under tillverkningenav PVA MB, så att guldnanopartiklarna bäddades in i PVA-skalet under dess bildande(kandidat som heter AuNP-S-MB). I det andra tillvägagångssättet laddadesguldnanopartiklarna in i kärnan i PVA MB som ersatte luft genom att öka permeabiliteten(kandidat som heter AuNP-kapsel). CT avslöjade att en obetydlig mängd guldnanopartiklarvar inbäddade i skalet av AuNP-S-MB, medan en detekterbar mängd guldnanopartiklarpackades in i PVA MB. Dessutom är CT-numret för den omgivande vätskan kring AuNPkapseln lågt, dvs. guldnanopartiklarna var bundna inuti AuNP-kapseln, vilket gör det andratillvägagångssättet till ett lovande steg mot den vidare utvecklingen av dubbelmodaltkontrastmedel.
I Studie IV studerade jag effekten av PVA MB på kavitationsflöden i mikroskala.Kavitationen i klinisk praxis genererar stora tryck, vilket kan vara ogynnsamt och skada cellereller vara till nytta och underlätta en behandling. En bättre förståelse för mekanismen förkavitationsgenerering kan undvika skadlig kavitation, öka säkerheten för det kliniskaprotokollet och öka den terapeutiska kavitationen. Därför är effekten av PVA MB påkavitationen av stort intresse. Mer specifikt studerades effekten av PVA MB på denhydrodynamiska kavitationen. Tre mikrofluidanordningar med olika strukturer ochytjämnheter på väggarna tillverkades. Två arbetsvätskor, PVA MB-suspension och vatten,kördes med kontrollerat tryck genom de olika mikrofluidanordningarna.Höghastighetsvisualiseringen avslöjade att PVA MB:na utlöser starten av hydrodynamiskkavitation vid ett lägre tryck uppströms och förbättrar kavitationsflödet i alla tremikrofluidanordningarna. Dessutom tar det längre tid för kavitationsbubblorna att försvinnai PVA MB-suspensionen.
För att sammanfatta mitt doktorandarbete har jag utvecklat en ny detektionssekvens, CPS4,optimerat den för PVA MB med en modellstyrd metod, modifierat PVA MB för att utvidgadess tillämpning, och studerat effekten av PVA MB på hydrodynamisk kavitation. Arbetetfrämjar PVA MB för prekliniska studier, samt ger en inblick i studierna av de andra klinisktgodkända ultraljudskontrastmedlen. Metoderna som utvecklats och presenterats inomavhandlingen kan tillämpas på andra kliniskt godkända ultraljudskontrastmedel. Till exempelkan CPS4 och modellstyrd optimeringsmetod användas för att detektera andraultraljudskontrastmedel med hög effektivitet, vilket erbjuder en överlägsen upplösning.