Αλληλεπίδραση φυσαλίδων με ελαστικό περίβλημα (Contrast Agents) με γειτονικό τοίχωμα παρουσία ακουστικών διαταραχών

Fri, 2012-06-22 15:14 |

konefthim

Υποψήφιος Διδάκτορας:

Ευθυμίου Κωνσταντίνος

Τμήμα:

Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

Σχολή:

Πολυτεχνική Σχολή

Επιβλέπων:

Καθ. Πελεκάσης Νικόλαος (pel@uth.gr)

Τριμελής Επιτροπή:

(1) Πελεκάσης Νικόλαος (2) Αθανάσιος Παπαθανασίου (3) Βασίλειος Σμπόρος

Περιγραφή Διατριβής:

Μικροφυσαλίδες με ελαστικό περίβλημα (Contrast Agents, μικροφυσαλίδες CA ή CAs για συντομία) χρησιμοποιούνται εκτενώς τα τελευταία χρόνια σε εφαρμογές της βιοϊατρικής, για την καλύτερη απεικόνιση της κυκλοφορίας του αίματος¹ σε περιοχές γύρω από ζωτικά όργανα, π.χ. καρδιά, συκώτι, όπου είναι δύσκολο να γίνει αυτό με συμβατικές μεθόδους. Επιπλέον έχει βρεθεί² ότι τα λιπίδια, που συνήθως αποτελούν το κέλυφος, μπορούν να καλυφθούν με πρωτεΐνες ή αντιβιοτικά, ώστε να προσεγγίσουν συγκεκριμένους στόχους στους ιστούς μέσω της μικροκυκλοφορίας.

Οι μικροφυσαλίδες αυτές, όταν ενεργοποιηθούν μέσω ακουστικής διαταραχής, λόγω του ότι είναι μη γραμμικοί ταλαντωτές, μπορούν να χρησιμοποιηθούν με διάφορους τρόπους:

Αυξάνουν το contrast μεταξύ της κυκλοφορίας του αίματος και των γειτονικών ιστών στο σκεδαζόμενο σήμα. Έτσι, η κατανομή μικροφυσαλίδων στο χώρο συσχετίζεται με τη μορφολογία των ιστών και χρησιμοποίείται π.χ. για την ανίχνευση όγκων και για την παρακολούθηση των κοιλιακών τοιχωμάτων της καρδιάς, μεταξύ άλλων¹.
Συνδυάζοντας ακουστικές διαταραχές μικρού μηχανικού δείκτη (Mechanical Index) MI=p_Ac/√ƒ, όπου ƒ: η συχνότητα της διαταραχής και p_Ac:το πλάτος της, για την ενεργοποίηση και ανίχνευση των φυσαλίδων, με παλμούς μεγάλου MI για την καταστροφή τους μπορεί κανείς να εκτιμήσει το ρυθμό αντικατάστασής τους και συνεπώς να έχει μια ποσοτική εκτίμηση της τροφοδοσίας μιας περιοχής μέσω της κυκλοφορίας του αίματος (Contrast Perfusion Imaging)³.
Ο υπέρηχος χρησιμεύει στην επιτάχυνση της απελευθέρωσης των μακρομορίων από την επιφάνεια των μικροφυσαλίδων και τη μετέπειτα σύνδεσή τους με προβληματικούς ιστούς, π.χ. ανίχνευση των φλεγμονών των αιμοφόρων αγγείων (angiogenesis) και της αθηρωματικής πλάκας⁴. Επιπλέον, λόγω της τοπικής μικροκυκλοφορίας που δημιουργείται, οι γειτονικοί ιστοί ανοίγουν και είναι πιο δεκτικοί σε μεταφερόμενα φάρμακα, τα οποία επίσης απελευθερώνονται από τις μικροφυσαλίδες (targeted drug delivery & sonoporation)⁵.

Η επίδραση γειτονικών τοιχωμάτων ή άλλων φυσαλίδων έχει μελετηθεί θεωρητικά^6,7,8 και υπολογιστικά^9,10 στη βιβλιογραφία για την περίπτωση φυσαλίδων χωρίς ελαστικό περίβλημα. Οι παραπάνω μελέτες αφορούν κυρίως στη δευτερογενή δύναμη Bjerknes και κατά πόσον αυτή μεταβάλλεται αναλόγως της απόστασης, της διαφοράς φάσης, του πλάτους ταλάντωσης και του ιξώδους του περιβάλλοντος ρευστού. Οι θεωρητικές μελέτες ισχύουν για σχετικά μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των φυσαλίδων ή της φυσαλίδας και του τοιχώματος, ενώ οι υπολογιστικές χρησιμοποιούν κυρίως τη μέθοδο των συνοριακών στοιχείων (Boundary Integral Method), που βασίζεται στη θεωρία δυναμικής ροής, για τον υπολογισμό της κίνησης και παραμόρφωσης φυσαλίδων, όταν μπορούν να αγνοηθούν οι ιξώδεις δυνάμεις. Το βασικό εύρημα τέτοιων μελετών αφορά την έλξη/άπωση μεταξύ δύο μικροφυσαλίδων ή μίας μικροφυσαλίδας και γειτονικού στερεού τοιχώματος, ανάλογα με το αν έχουμε ταλαντώσεις σε φάση ή εκτός φάσης. Σχετικά με την αλληλεπίδραση φυσαλίδας με ελεύθερη επιφάνεια ή στερεό τοίχωμα, παλαιότερες μελέτες^11,12 με τη μέθοδο των συνοριακών στοιχείων έδειξαν ότι ενώ κοντά σε στερεό τοίχωμα η φυσαλίδα πάντα προσεγγίζει το τοίχωμα, όταν αλληλεπιδρά με ελεύθερη επιφάνεια μπορεί να απομακρύνεται από αυτήν αναλόγως της αρχικής απόστασης. Πρόσφατα η μέθοδος των συνοριακών στοιχείων χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της αλληλεπίδρασης φυσαλίδας με υλικό που παρουσιάζει ελαστική συμπεριφορά¹³ και έδειξε ότι αυτό επηρεάζει σημαντικά την ευστάθεια της φυσαλίδας, καθώς και το μηχανισμό κατάρευσής της.

Η παρούσα ερευνητική προσπάθεια αφορά στη μελέτη της αλληλεπίδρασης μικροφυσαλίδας (μεγέθους της τάξης 2.5 έως 4 μm), που περιβάλλεται από ελαστικό κέλυφος, με γειτονικό τοίχωμα. Η μικροφυσαλίδα εκτελεί ταλαντώσεις υπό την επίδραση ακουστικής διαταραχής στο φάσμα συχνοτήτων των υπερήχων (1-10 MHz), ενώ το τοίχωμα μπορεί να έχει ελαστική στμπεριφορά. Αποσκοπεί στην πρόβλεψη του επανασκεδαζόμενου σήματος, λαμβάνοντας υπ' όψιν την επίδραση:

των παραμέτρων που καθορίζουν τη μη γραμμικότητα στην ιξωδοελαστική συμπεριφορά του υλικού που αποτελεί το κέλυφος,
της απόστασης από γειτονικές επιφάνειες και τις ιδιότητες των τελευταίων και
των ιξωδών τάσεων που αναπτύσσονται σε σχετικά λεπτά αιμοφόρα αγγεία (της τάξης 5 με 10 μm), όπου εισχωρούν οι μικροφυσαλίδες.

Η προσέγγιση θα είναι θεωρητική/υπολογιστική με χρήση της μεθόδου συνοριακών στοιχείων, για μία πρώτη εκτίμηση της αλληλεπίδρασης της μικροφυσαλίδας με τη γειτονική επιφάνεια και σε δεύτερο στάδιο, της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων για την εκτίμηση της επίδρασης των ιξωδών τάσεων, όταν η απόσταση γίνει πολύ μικρή. Τα αποτελέσματα θα αντιπαραβάλλονται με υπάρχουσες θεωρητικές προσεγγίσεις και με διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις από τα συνεργαζόμενα εργαστήρια του εξωτερικού.

Βιβλιογραφία:

Kaufmann B. A., Wei K. & Lindner J. R., 2007, "Contrast Echocardiography", Curr. Probl. Cardiol. 32, 51-96.
Klibanov A. L., 2005, "Ligand-carrying gas-filled microbubbles: ultrasound contrast agents for targeted molecular imaging", Bioconjugate Chem. 16, 9-17.
Wei K., Jayaweera A. R., Firoozan S., Linka A., Skyba D. M., & Kaul S., 1998, "Quantification of myocardial blood flow with ultrasound-induced destruction of microbubbles administered as a constant venous infusion", Circulation 97, 473-483.
Lindner J. R., Song J., Christiansen J., Klibanov A. L., Xu G. & Lay K., 2001, "Ultrasound assessment of inflammation and renal tissue injury with microbubbles targeted to p-selectin" Circulation 104, 2107-12.
Dijkmans A., 2004, "Microbubbles and ultrasound: from diagnosis to therapy", Eur. Journal of Echocardiography 5 (4), 245-246.
Oguz H. & Prosperetti A., 1990, "A generalization of the impulse and virial theorems with an application to bubble oscillations", J. Fluid Mech. 218, 143-162.
Doinikov A. A. & Zavtrak S. T., 1995, "On the mutual interaction of two gas bubbles in a sound field", Phys. Fluids 7 (8), 1923-1930.
Pelekasis N. A., Gaki A., Doinikov A. & Tsamopoulos J. A., 2004, "Secondary Bjerknes forces and the phenomenon of acoustic streamers", J. Fluid Mech., 500, 313-347.
Pelekasis N. A., Tsamopoulos J. A., 1993, "Bjerknes forces between two bubbles. Part I: Response to a step chance in pressure", J. Fluid Mech. 254, 467-499.
Pelekasis N. A., Tsamopoulos J. A., 1993, "Bjerknes forces between two bubbles. Part II: Response to an oscillatory pressure field", J. Fluid Mech. 254, 501-527.
Blake J. R. & Gibson D. C., 1987, "Growth and collapse of a vapour cavity near a free surface", J. Fluid Mech. 111, 123-140.
Shima A. Tomita Y., Gibson D. C. & Blake J. R., 1989, "The growth and collapse of cavitation bubbles near composite surfaces", J. Fluid Mech. 203, 199-214.
Klaseboer E. & Khoo B. C., 2004, "An oscillating bubble near an elastic material", J. Applied Physics, 96 (10), 5808-5818.