Experimental and numerical model to determine the feasibility of using acoustic pulses to detect catheter occlusions

Abstract

The purpose of this research is to determine the capability of detecting central venous catheters occlusions by using guided acoustic waves in a fluid filled tube. The pulse sent through the fluid will be reflected if the catheter is partially or totally obstructed, and it will contain information regarding the location and type of obstruction. Numerical modeling will aid in the design of the experimental set up. The model that simulates the catheter comprises an acrylic tube filled with water and two acrylic tubes around it to simulate different boundary conditions. A hydrophone located at one end of the tube’s ends is used to send an acoustic wave. The frequency range of operation was ascertained by determining the first resonance mode, both experimentally and numerically. A pulse in the previously determined frequency range was sent through the fluid, and its reflections were analyzed to find the location of any possible blockage. The results obtained indicate that the best frequency for the pulse propagation inside the tube coincides with the first resonance mode. We noted that when the pulse moves forward into the tube, the amplitude of the pulse decreases and it deforms due to losses by absorption of the medium and the geometry of the model that produces pulse propagation in the radial and longitudinal directions. We determined that when the tube is surrounded by water the pulse propagation is lower than when the tube is surrounded by air. In addition we found that sound waves can be used to detect any obstruction in a tube, and that the amplitude of the reflection increases with the size of the obstruction.

El propósito de esta investigación es determinar la capacidad de detección de oclusiones en catéteres venosos centrales utilizando ondas acústicas guiadas en un tubo lleno de líquido. El pulso enviado a través del líquido se reflejará si el catéter está parcial o totalmente obstruido, y contendrá información sobre la ubicación y el tipo de obstrucción. Simulaciones numéricas ayudarán en el diseño del dispositivo experimental. El modelo que simula el catéter se compone de un tubo de acrílico lleno de agua y dos tubos de acrílico a su alrededor para simular diferentes condiciones de contorno. Un hidrófono situado en uno de los extremos del tubo se utilizó para enviar una onda acústica. El rango de frecuencia de operación se comprobó mediante la determinación del primer modo de resonancia del tubo, tanto experimental como numéricamente. Un pulso en el rango de frecuencias determinado previamente se envió a través del líquido, y sus reflexiones fueron analizadas para encontrar la ubicación de cualquier posible obstrucción. Los resultados obtenidos indican que la mejor frecuencia de propagación del pulso en el interior del tubo coincide con el primer modo de resonancia. Hemos observado que cuando el pulso se mueve hacia delante en el tubo, la amplitud del pulso disminuye y se deforma debido a las pérdidas por absorción del medio y la geometría del modelo que produce la propagación del pulso en las direcciones radial y longitudinal. Se determinó que cuando el tubo está rodeado de agua la propagación del pulso es menor que cuando el tubo está rodeado de aire. Además se encontró que las ondas de sonido se pueden utilizar para detectar cualquier obstrucción en un tubo, y que la amplitud de la reflexión incrementa con el tamaño de la obstrucción.