Ultrasonically Actuated Medical Needle - Non-Linear Effects and Applications

Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-10-07
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78 + app. 54
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 127/2022
Abstract
Medical needles serve a central role in everyday healthcare, exemplified by the 16 billion injections administered globally every year. The needles typically feature a very sharp structure at their tip (lancet), which facilitates the penetration through the skin and tissue to achieve a medical purpose. When used in combination with a syringe, hypodermic needles enable e.g. injection of substances into the patient's body, or to extract cells from the target. Despite their extensive use in medicine, the design of medical needles has remained largely unchanged throughout recent decades and limitations related to pain, delivery of entities, precision and spatial localization still remain.   The primary aim of this Thesis was to study how ultrasound can be used to bring new functionalities to a standard medical needle in vision to address major issues still present in some medical applications. The solution consisted in coupling a Langevin transducer (f ~ 33 kHz) to a 21G hypodermic needle (outer diameter = 0.81 mm; length = 80 mm) through an aluminum waveguide to produce flexural standing waves within the needle structure. The experiments focused on exploring the influence of the needle vibration on matter, when the ultrasonically actuated needle was operated in different types of media, such as water, tissue-like phantom gels and ex vivo soft tissue. Numerical simulations were also conducted to deepen the understanding of some relevant non-linear ultrasound phenomena involved in the experiments, namely acoustic radiation force, acoustic streaming and cavitation, generated by the oscillating needle. The results showed that the actuation of a medical needle contributes to generating a force field on the medium surrounding the needle tip, which can be exploited to manipulate soft matter or solid objects. When used to perform ultrasound-enhanced fine-needle aspiration biopsy, the ultrasonic oscillation of the needle allowed to increase the mass of the collected sample by 3–6x in different ex vivo bovine tissue types, as compared to when standard fine-needle aspiration biopsies were retrieved. Experimentally and numerically, we were able to demonstrate generation of acoustic streaming emanating outwards from the needle tip, which allowed to translate microparticles inside water, and helped to promote the translation of nanoparticles and liquids inside tissue-like porous structures. Formation of transient cavitation events was also captured with high-speed imaging in water and soft tissue, exhibiting a strong threshold behavior dependent on the total acoustic power employed. The findings presented in this Thesis advance the field of oscillating medical needles, showing a great potential in various medical applications including biopsy, drug or gene delivery and tissue ablation.

Lääkinnällisillä neuloilla on keskeinen merkitys terveydenhuollossa. Vuosittain annetaan maailmanlaajuisesti esimerkiksi 16 miljardia injektiota. Neulojen kärjessä on yleensä erittäin terävä rakenne (lansetti), joka helpottaa neulan tunkeutumista ihon sisään lääketieteellisen tarkoituksen saavuttamiseksi. Kun injektioneuloja käytetään yhdessä ruiskun kanssa, niitä voidaan käyttää aineiden ruiskuttamiseen potilaan kehoon tai diagnostisesti merkityksellisen materiaalin ottamiseen kohteesta. Vaikka neuloja käytetään lääketieteessä hyvin laajalti, neulojen muotoilu on pysynyt muuttumattomana vuosikymmenien ajan, ja kipuun, kokonaisuuksien hallintaan, tarkkuuteen ja spatiaaliseen paikantamiseen liittyvät rajoitukset ovat edelleen olemassa. Tämän opinnäytetyön ensisijaisena tavoitteena oli tutkia, miten ultraääntä voidaan hyödyntää tuomaan uutta toiminnallisuutta tavalliseen lääketieteelliseen neulaan ja kyetään vähentämään eräissä lääketieteellisissä sovelluksissa esiintyviä merkittäviä ongelmia. Ratkaisu koostuu Langevin-muuntimen (f ~ 33 kHz) kytkemisestä 21G-injektioneulaan (ulkohalkaisija = 0.81 mm; pituus = 80 mm) alumiinisen aalto-ohjaimen kautta. Näin neulan rakenteeseen aikaansaadaan neulan taivutuksen mahdollistavat seisovat aallot. Kokeissa keskityttiin tutkimaan neulan flexuraalisen värähtelyn vaikutusta aineeseen, kun ultraäänikäyttöistä neulaa käytettiin erityyppisissä väliaineissa, kuten vedessä, kudosmaisissa geelimalleissa ja ex vivo pehmytkudoksessa. Numeerisia simulaatioita hyödynnettiin syventämään ymmärrystä eräistä kokeisiin liittyvistä värähtelevän neulan luomista epälineaarisen ultraäänen ilmiöistä kuten akustisesta säteilyvoimasta, akustisesta virtauksesta ja kavitaatiosta. Tulokset osoittivat, että lääkinnällinen neula tuottaa neulan kärkeä ympäröivään väliaineeseen voimakentän, jota voidaan hyödyntää pehmeän aineen tai kiinteiden esineiden käsittelyssä. Kun ultraäänitehostettua ohutneulanäytteenottoa käytettiin biopsioiden ottamiseen, neulan ultraäänivärähtely mahdollisti kerätyn näytteen massan kasvamisen 3-6-kertaiseksi erilaisissa naudan kudostyypeissä verrattuna tavanomaisiin ohutneulanäytteenottoihin. Kokeellisesti ja numeerisesti pystyimme osoittamaan neulan kärjestä ulospäin lähtevän akustisen virtauksen syntymisen, joka mahdollisti mikrohiukkasten kääntämisen veden sisällä ja auttoi edistämään nanohiukkasten ja nesteiden kääntämistä kudoksen kaltaisten huokosten rakenteiden sisällä. Myös lyhytaikaisten kavitaatiotapahtumien muodostumista kuvattiin nopealla kuvantamisella sekä vedessä että pehmytkudoksessa. Niissä ilmeni voimakas kynnyskäyttäytyminen, joka riippui käytetystä akustisesta kokonaistehosta. Tässä väitöskirjassa esitetyt havainnot edistävät värähtelevien lääketieteellisten neulojen alaa, ja havainnot osoittavat lupaavia mahdollisuuksia erilaisissa lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten biopsiassa, lääkkeiden tai geenien annostelussa ja kudosten ablaatiossa

Medicinska nålar har en central roll i sjukvården, vilket framgår av de 16 miljarder injektioner som ges globalt årligen. De har vanligtvis en mycket skarp struktur i spetsen (lansett) som gör det lättare för nålen att trängas in i huden för att uppnå ett medicinskt syfte. I kombination med en spruta kan hypodermiska nålar användas för att injicera ämnen i patientens kropp eller för att erhålla diagnostiskt relevant material från målet. Trots den mycket omfattande användningen inom medicinen har utformningen av medicinska nålar förblivit oförändrad under årtiondena och begränsningar i fråga om smärta, leverans av enheter, precision och rumslig lokalisering kvarstår fortfarande. Det primära syftet med denna avhandling var att studera hur ultraljud kan användas för att ge nya funktioner till en medicinsk standardnål för att minska de stora problem som fortfarande kvarstår i vissa medicinska tillämpningar. Lösningen bestod i att koppla en Langevin-transducer (f ~ 33 kHz) till en 21G hypodermisk nål (ytterdiameter = 0.81 mm; längd = 80 mm) genom en aluminiumvågledning, så att böjbara stående vågor skulle aktiveras i nålens struktur. Experimenten inriktades på att utforska hur nålens vibrationer påverkar materia när den ultraljudsstyrda nålen användes i olika typer av medier, t.ex. vatten, vävnadsliknande fantomgeler och ex vivo mjuk vävnad. Även numeriska simuleringar genomfördes för att uppnå fördjupad förståelse av vissa relevanta icke-linjära ultraljudsfenomen vilka var inblandade i experimenten, nämligen akustisk strålningskraft, akustisk strömning och kavitation, som genereras av den vibrerande nålen. Resultaten visade att aktiveringen av en medicinsk nål bidrar till att generera ett kraftfält i det medium som omger nålspetsen, vilket kan utnyttjas för att manipulera mjuka material eller fasta föremål. När nålens ultraljudsvibrationer användes för att utföra ultraljudsförstärkta finnålsaspirationsbiopsier, kunde nålens ultraljudsvibrationer öka massan av det insamlade provet med 3-6× i olika vävnadstyper av nötkreatur, jämfört med vanliga finnålsaspirationsbiopsier. Experimentellt och numeriskt kunde vi visa att det genererades en akustisk strömning utåt från nålspetsen, vilket gjorde det möjligt att översätta mikropartiklar i vatten och bidrog till att främja översättningen av nanopartiklar och vätskor i vävnadsliknande porösa strukturer. Bildandet av övergående kavitationshändelser fångades också med höghastighetsbilder i vatten och mjuk vävnad och uppvisade ett starkt tröskelbeteende som var beroende av den totala akustiska effekten som användes. De resultat som presenteras i den här avhandlingen innebär ett framsteg inom området vibrerande.
Description
Supervising professor
Nieminen, Heikki J., Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
Thesis advisor
Nieminen, Heikki J., Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
Keywords
physics, non-linear ultrasound, medical needle, cavitation, fysiikka, epälineaarinen ultraääni, lääketieteellinen neula, kavitaatio, fysik, icke-lineär ultraljud, nål för medicinskt bruk, kavitation
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Emanuele Perra, Eetu Lampsijarvi, Goncalo Barreto, Muhammad Arif, Tuomas Puranen, Edward Haggstrom, Kenneth P. H. Pritzker and Heikki J. Nieminen. Ultrasonic Actuation of a Fine-Needle Improves Biopsy Yield. Scientific Reports, 11(1), 8234, April 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202105056489
    DOI: 10.1038/s41598-021-87303-x View at publisher
  • [Publication 2]: Emanuele Perra, Nick Hayward, Kenneth P. H. Pritzker and Heikki J. Nieminen. An Ultrasonically Actuated Needle Promotes the Transport of Nanoparticles and Fluids. The Journal of Acoustical Society of America, 152(1), 251-265, July 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104533
    DOI: 10.1121/10.0012190 View at publisher
  • [Publication 3]: Emanuele Perra, Nick Hayward, Kenneth P. H. Pritzker and Heikki J. Nieminen. An Ultrasonically Actuated Fine-Needle Creates Cavitation in Bovine Liver. The Journal of Acoustical Society of America, 151(6), 3690-3702, June 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104650
    DOI: 10.1121/10.0010534 View at publisher
Citation