Je leest:

Medische bellen

Medische bellen

Auteur: | 1 mei 2005

Met geluid kun je kijken. Dat wil zeggen: als je geluid uitzendt, reflecteert het en vervormt het, afhankelijk van het propagatiemedium. En aan de hand van het gereflecteerde geluid zijn eigenschappen van het medium af te leiden. Hoe hoger de frequentie is van het geluid dat gebruikt wordt, des te hoger het oplossend vermogen. Geluid boven de menselijke gehoorgrens, dus hoger dan 20 kHz, wordt ultrageluid genoemd.

In de dierenwereld maken vleermuizen en dolfijnen gebruik van ultrageluidtechnieken voor afstands- en snelheidsbepaling. Sonar en Parking Dis-tance Control zijn alledaagse technieken die van deze dieren afgekeken zijn. Bij echografie wordt geluid uitgezonden het lichaam in. Het vervormde, gereflecteerde geluid wordt afgebeeld in een echogram. Op deze manier kan een afbeelding van delen van het lichaam gemaakt worden, zonder dat het lichaam opengesneden hoeft te worden.

Bloed

Bloed is – in tegenstelling tot weefsel – geen goede reflector. Daardoor is het met conventionele echografietechnieken moeilijk om de doorbloeding van organen te bepalen. Een oplossing voor dit probleem is het inspuiten van microscopisch kleine gasbelletjes (microbellen) in de bloedbaan. Gasbellen zetten uit wanneer de omgevingsdruk wordt verlaagd en krimpen in wanneer de omgevingsdruk wordt verhoogd. Aangezien medisch ultrageluid bestaat uit drukgolven met frequenties – afhankelijk van de toepassing – tussen 100 kHz en enkele tientallen MHz, gaan microbellen in zo’n geluidsveld alternerend oscilleren, met frequenties van dezelfde orde als het geluidsveld (zie figuur 1). Iedere oscillerende bel zendt radiaal een drukveld uit en gedraagt zich daardoor zelf als een geluidsbron. Dus wanneer microbellen ingespoten worden in de bloedbaan, zijn ze door hun karakteristieke respons op ultrageluid op te sporen. Hun aanwezigheid is een indicatie voor de doorbloeding van individuele vaten en hele organen.

Figuur 1. Hogesnelheidsfoto’s van twee oscillerende microbellen met een rustdiameter van 6 µm. De beelden a t/m h zijn met gelijke intervallen geschoten tijdens een enkele ultrageluidcyclus die schematisch weergegeven is. Frame a is voor aankomst van de geluidsgolf vastgelegd. De tijd tussen de overige frames is 0,33 µs. De belichtingstijd per frame is 10 ns. Ieder frame komt overeen met 88 × 58 µm2.

Medische bellen

Dergelijke medische bellen worden gewoonlijk aangeduid als ultrageluid-contrastmiddelen. Ultrageluid-contrastmiddelen zijn voor klinisch-diagnostische doeleinden zo populair dat er diverse soorten commercieel verkrijgbaar zijn. De meeste bestaan uit belletjes van een paar micrometer in diameter. Om te voorkomen dat de belletjes te snel oplossen bevatten de contrastbellen zwaar gas dat veel langzamer dan lucht oplost en worden de bellen ingekapseld door een schil. Omdat één injectie met contrastmiddel bestaat uit miljarden microbellen, kunnen we met ultrageluidtechnieken alleen het groepsgedrag van microbellen meten. Voor de ontwikkeling van meer geavanceerde detectietechnieken en voor het onderzoek naar therapeutische toepassingen van microbellen is het van belang dat ook het gedrag van individuele microbellen vastgelegd en voorspeld kan worden. Daartoe kunnen optische technieken zoals hogesnelheidsfotografie gebruikt worden

Figuur 2. Hogesnelheidsfoto’s van drie expanderende microbellen met een rustdiameter (frame a) van 4 µm. Het maximale verschil in expansie (frame b) bedraagt 28%. Ieder frame komt overeen met 55 × 45 µm2.

Snelle camera’s

In deze studie werd gebruikgemaakt van hogesnelheidscamera’s om het dynamisch gedrag van individuele microbellen onder invloed van ultrageluid waar te nemen. Binnen een enkele periode van een ultrageluidsgolf, maximaal 2 µs, werden minstens zeven foto’s gemaakt met sluitertijden tussen 10 en 70 ns. In voorgaande studies 1 werden eendimensionale foto’s gepubliceerd en foto’s met sluitertijden langer dan de periode van de geluidsgolf. De verschijnselen die in deze studie beschreven worden, vinden meestal plaats binnen een enkele periode. Bovendien zijn de verschijnselen niet radiaal symmetrisch. Daardoor is eendimensionale fotografie en fotografie met ‘lange’ sluitertijden beperkt qua voorspellend vermogen van belgedrag.

Figuur 3. Hogesnelheidsfoto’s van fuserende microbellen tijdens expansie. Interframetijd is 0,33 µs. Ieder frame komt overeen met 21 × 21 µm2. Klik op de afbeelding voor een grotere versie

De schil

Aangezien contrastbellen een schilletje hebben, moet hiermee rekening gehouden worden bij de fysische beschrijving van het oscilleren. In bestaande modellen worden hiertoe de fysische grootheden schilstijfheid en schilfrictie gebruikt. Deze grootheden worden bepaald door metingen aan de hand van de hoeveelheid contrastmiddel. Uit deze studie echter lijkt te volgen dat schileigenschappen van contrastbellen onderling kunnen verschillen, aangezien optisch identieke bellen een verschillend maximale expansie kunnen vertonen (zie figuur 2).

Figuur 4. Hogesnelheidsfoto van jetting: een microbel gedraagt zich als een micro-injectienaald. Vanwege de snelle contractie van een bel nabij een (cellulose) wandje treedt er een asymmetrie op. Door impulsbehoud mondt deze asymmetrie uit in een trechtervormige, protruderende vloeistofkolom (jet) van 60 femtoliter. Het beeld komt overeen met 38 × 30 µm2. De theoretische jet-ontwikkeling is berekend met een boundary-integral-methode door Emmanuel Ory (Sovelletun Termodynamiikan laboratorio, Teknillinen Korkeakoulu, Espoo, Finland). Een uitgebreidere beschrijving van dit jetting-verschijnsel wordt gegeven in 2.

De aanwezigheid van een schil blijkt minder van belang te zijn voor de verschijnselen die waargenomen worden bij contrastbellen in een ultrageluidsveld met een hoge akoestische amplitude: de fysische mechanismen van microbelfusie (figuur 3), -fragmentatie, -translatie en -jetten (figuur 4) zijn vergelijkbaar met de mechanismen voor vrije gasbellen die duizend keer zo groot zijn. Door de hoge snelheid van de camera’s is dit de eerste studie waarin zich herhalende microbelfusie en -fragmentatie is waargenomen (zie figuur 5). Onregelmatige vormen van bellen in een geluidsveld werden voorheen geïnterpreteerd en gepubliceerd als modes van vorminstabiliteit van de bel. Deze vormen kunnen echter toegeschreven worden aan de fusie van bellen of belfragmenten.

Microbelfusie

Het dunner worden van de dunne vloeistoffilm die bellen van elkaar scheidt, werd berekend met de Reynolds-vergelijking. De berekende tijden totdat de film knapt voor bellen met een schilletje, zijn te lang om overeen te komen met optische waarnemingen van fusie van microbellen met een lipideschil. Deze observaties kunnen wel verklaard worden wanneer de schillen zich gedragen als oppervlakken waarlangs stroming vrij kan plaatsvinden (mobiele oppervlakken). Hierdoor worden de theoretische drainagetijden met meer dan een factor drie verkort. Deze theorie is geverifieerd met optische waarnemingen van fusie van vrije gasbellen.

Figuur 5. Hogesnelheidsfoto’s van fragmenterende en fuserende microbellen tijdens een enkele ultrageluidcyclus. Interframetijd is 0,33 µs. Ieder frame komt overeen met 23 × 23 µm2.

Sonisch kraken

Op grond van akoestische metingen werd er voorheen aangenomen dat gas uit contrastbellen kan ontsnappen. In deze studie is aangetoond dat we onder invloed van ultrageluid gas kunnen laten ontsnappen uit contrastbellen met een rigide schil bestaande uit een eiwitlaag. Na dit zogeheten sonisch kraken lost het vrije gas op in de vloeistof. De snelheid waarmee een vrije gasbel oplost is afhankelijk van de omgevingsdruk. Daarom kan het laten ontsnappen van gas uit schillen in de nabije toekomst een toepassing vinden in niet-invasieve drukmeting.

Figuur 6. Hogesnelheidsfoto’s van sonisch kraken. In de expansiefase (vanaf frame 3) ontsnapt gas uit de linkerbovenhoek van een contrastbel met albumineschil. De bel heeft zich losgemaakt van de schil in frame 11. Interframetijd is 0,1 µs. Ieder frame komt overeen met 19 × 19 µm2. De resultaten van het sonisch kraken van microbellen worden uitgebreid beschreven in 3.

Het bepalen van overdruk is in principe in vivo mogelijk aan de hand van de verandering in akoestische respons van een oplossende vrije gasbel met de grondtoon (dezelfde toon wordt zowel ontvangen als uitgezonden). Drukverschillen van 50 millimeter kwikdruk kunnen worden onderscheiden. In de medische diagnostiek is een kleinere resolutie wenselijk. Om de gevoeligheid van de bovengenoemde meetmethode te verbeteren zouden andere gassen dan lucht kunnen worden gebruikt. Aangezien ondertonen (er wordt naar een twee keer zo lage toon geluisterd als wordt uitgezonden) gevoeliger zijn voor een verandering in de belgrootte dan grondtonen, kan bovendien gebruik gemaakt worden van het luisteren naar ondertonen van de vrije gasbel om de halve resonantiegrootte te markeren. Op deze manier kunnen drukverschillen van slechts 11 millimeter kwikdruk bepaald worden.

De waargenomen verschijnselen zijn mogelijk klinisch toepasbaar in ultrasone afbeelding, drukmeting, tumordetectie, doorbloedingsbepaling, celvernietiging (lysis), koppeling van microbellen aan witte bloedlichaampjes voor het opsporen van zieke plekken, en gerichte medicijnbezorging.

Referenties

1: Voor een overzicht, zie hoofdstuk 1 van M.A.B. Postema, Medical Bubbles, Bergschenhoek: Michiel Postema (Veendendaal: Universal Press) 2004, ISBN 90–365–2037–1. 2: M. Postema, A. van Wamel, G. Schmitz en N. de Jong, ‘Slingerende bellen, gerichte medicijnbezorging en microïnjectienaalden’, Klinische Fysica 1 (2005) – in druk. 3: M. Postema, A. Bouakaz, M. Versluis en N. de Jong, ‘Ultrasound-induced gas release from contrast agent microbubbles’, ieee Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 52 (2005) – in druk.

Bezoek de website van het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 mei 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.