Effects of bubble rupture on the viability of red blood cells subjected to an resonant acoustic standing wave

Abstract

Medical devices employ acoustic waves as a noninvasive imaging procedure for real time observation and diagnosis of the human body and other non-transparent media. The Food and Drug Administration (FDA) regulates the output parameters for these devices based on mechanical and thermal effects under ultrasonic operation. New technologies for the non-invasive detection and rupturing of bubbles employ resonant acoustic standing waves, a physical phenomenon not comprehensively studied by the FDA. This novel prospective treatment is focused on scenarios where bubble presence in the bloodstream poses a clinical risk. The method relies on generating resonant acoustic standing waves within a limb to non-invasively accelerate dissolution of bubbles present in the bloodstream via bubble rupture. The lack of research regarding the effects of resonant acoustic standing waves limits their application in medical scenarios. As such, the objective of this work consists of determining the effects of resonant acoustic waves and bubble rupture on red blood cell (RBC) viability. For this purpose, acoustic chambers outfitted with transducers were driven at resonant frequencies to rupture bubbles in distilled water, saline solution, and mammalian defibrinated blood. Experiments consisted of rupturing single bubbles below 900µm in diameter in an acoustic chamber and simplified swine thigh transducer assembly. This was done to assess at what electrical powers the transducer must be driven to generate pressure amplitudes that may effectively rupture bubbles in both an in vitro device and a physiologically relevant geometry. A final acoustic chamber was developed using the simplified swine thigh as a benchmark. Experiments with bubble populations were done in defibrinated sheep blood. The results show that single bubble rupture accounted for 56% of the total gas content dissolved after acoustic insonation for pressures above 60kPa. In the case of bubble population experiments, up to 85% of total gas content was dissolved for pressures of 153kPa. The assessment of the effects of both the resonant acoustic standing waves and bubble rupture on defibrinated blood resulted in CBC data within reference values of healthy cells.

Los dispositivos médicos emplean ondas acústicas como un procedimiento de imagen no invasivo para la observación y el diagnóstico del cuerpo humano. La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA por sus siglas en inglés) regula la operación de estos dispositivos en función de sus efectos mecánicos y térmicos bajo funcionamiento ultrasónico. Las nuevas tecnologías para la detección no invasiva y la ruptura de burbujas emplean ondas estacionarias acústicas resonantes, un fenómeno físico que la FDA no ha estudiado exhaustivamente. El método se basa en la generación de ondas estacionarias acústicas resonantes dentro de una extremidad para acelerar de forma no invasiva la disolución de las burbujas. La falta de investigación sobre los efectos de las ondas estacionarias acústicas resonantes limita su aplicación. El objetivo de este trabajo consiste en determinar los efectos de las ondas acústicas resonantes y la ruptura de la burbuja sobre la viabilidad de los glóbulos rojos. Para este propósito, se utilizaron cámaras acústicas equipadas con transductores y se operaron a frecuencias resonantes para romper burbujas en agua destilada, solución salina y sangre desfibrinada de oveja. Los experimentos consistieron en la ruptura de burbujas individuales de tamaños debajo de 900μm en diámetro adentro de una cámara acústica y un montaje simplificado de un muslo de cerdo equipado con un transductor. Finalmente, se desarrolló una cámara acústica utilizando el muslo de cerdo simplificado como punto de referencia operativo. Con esto se realizaron experimentos con poblaciones de burbujas en sangre de oveja desfibrinada. Los resultados muestran que el 56% del contenido de gas se disolvió para los experimentos con burbujas individuales a presiones superiores de 60kPa. En el caso de los experimentos de población de burbujas, se disolvió hasta el 85 % del contenido total de gas para presiones de 153kPa. La evaluación de los efectos de las ondas estacionarias acústicas resonantes y la ruptura de la burbuja en la sangre desfibrinada dio como resultado datos de CBC dentro de los valores de referencia para células sanas.