Desarrollo y caracterización de medios de acoplamiento acústico sólidos basados en hidrogeles para aplicaciones terapéuticas con ultrasonidos

Abstract

[ES] El ultrasonido focalizado transcraneal (FUS) se ha convertido en una modalidad neuromoduladora no invasiva con una exquisita profundidad de penetración y selectividad espacial. La energía de los ultrasonidos se transmite pésimamente por el aire y, por lo tanto, requiere un medio de acoplamiento o conducción que posea unas propiedades acústicas similares a los tejidos y órganos. Actualmente, los métodos de acoplamiento disponibles no son prácticos para el uso clínico junto a la cama del paciente. Los líquidos, como el agua desgasificada o el aceite mineral, se utilizan como medios de acoplamiento acústico entre el transductor-generador de ultrasonido y el cerebro; sin embargo, éstos requieren un recipiente separador que limita la orientación espacial de los transductores con respecto al objetivo de sonicación. Para superar estas limitaciones, se han investigado materiales no líquidos, similares a geles, que no requieren una carcasa que los contenga. En el trabajo aquí descrito, se llevará a cabo la síntesis de nuevas alternativas de acoplamiento acústico basadas en hidrogeles, como alcohol de polivinilo, ácido poliacrílico, poli(2-hidroxietil acrilato) y polímeros naturales. Se determinarán sus propiedades acústicas (impedancia acústica, velocidad de propagación y atenuación) a diferentes frecuencias de funcionamiento mediante el uso de la técnica de eco-impulso y la de emisión-recepción. Adicionalmente, se analizará la evolución de la temperatura de los nuevos materiales durante la sonicación. Los resultados se compararán con diferentes matrices poliméricas de gel comerciales para aplicaciones de ultrasonidos y se seleccionarán los materiales que presentan las mejores características como medios de acoplamiento acústico para llevar a cabo un posterior estudio. Asimismo, se estudiarán las capacidades de los diferentes productos para ser adaptados a dispositivos ultrasónicos focalizados y planos, tanto para primates como para ratones.

[CA] L’ultrasò focalitzat transcranial (FUS) s’ha convertit en una modalitat neuromoduladora no invasiva amb una exquisida profunditat de penetració i selectivitat espacial. L’energia dels ultrasons es transmet pèssimament per l’aire i, per tant, requereix un medi d’acoblament o conducció que posseïsca unes propietats acústiques similars als teixits i òrgans. Actualment, els medis d’acoblament disponibles no són pràctics per a l’ús clínic vora el llit del pacient. Els líquids, com l’aigua desgasificada o l’oli mineral, s’empren com a medis d’acoblament acústic entre el transductor-generador d’ultrasò i el cervell; ara bé, aquests requereixen un recipient separador que limita la orientació espacial dels transductors respecte a l’objectiu de sonicació. Per superar aquestes limitacions, s’han investigat materials no líquids, similars a gels, que no requereixen una carcassa que els continga. En el treball ací descrit, es durà a terme la síntesi de noves alternatives d’acoblament acústic basades en hidrogels, com ara l’alcohol de polivinil, l’àcid poliacrílic, el poli(2-hidroxietil acrilat) i polímers naturals. Es determinaran les seues propietats acústiques (impedància acústica, velocitat de propagació i atenuació) a diferents freqüències de funcionament mitjançant l’ús de la tècnica ressòimpuls, i la de emissió-recepció. Addicionalment, s’analitzarà la evolució de la temperatura en els nous materials durant la sonicació. Els resultats es compararan amb diferents matrius polimèriques de gel comercials per aplicacions d’ultrasons i es seleccionaran els materials que presenten les millors característiques com medis d’acoblament acústic per dur a terme un posterior estudi. Així mateix, s’estudiaran les capacitats dels diferents productes per ser adaptats a dispositius ultrasònics focalitzats i plans, tant per a primats com per a ratolins.

[EN] Transcranial focused ultrasound (FUS) has emerged as a noninvasive neuromodulatory modality with exquisite depth penetration and spatial selectivity. Ultrasound energy is poorly transmitted by air, which therefore, requires a coupling or conduction medium that possesses acoustic properties similar to tissue and organs. Current coupling methods are impractical for clinical bedside use. Liquids, such as degassed water or mineral oil, are used as acoustic coupling media between the ultrasound-generating transducer and the brain; however, they require a separate container that limits the spatial orientation of the transducers with respect to the sonication target. Nonliquid, gel-like materials that do not require a housing container have been sought after as coupling media to overcome such limitations. In the study described here, the synthesis of new acoustic coupling alternatives based on hydrogels such as poly(vinyl alcohol), poliacrylic acid, poly(2-hydroxyethyl acrylate) and natural polymers will be carried out and its acoustic properties (acoustic impedance, sound speed and attenuation) will be determined at different operating frequencies using pulse-echo and emission-reception techniques. During the sonication, the evolution of the temperature of the new materials will also be analyzed. The results will be compared with commercially available gel polymer matrices for ultrasound applications and the hydrogels that present the best characteristics as acoustic coupling media will be selected for further study. Also, the capabilities of the different materials to be adapted to ultrasonic set-up will be studied in primates and mouse experiments.