Kavitation in biologischem Gewebe

Zusammenfassung

Ziel: Einer der wohl wichtigsten Gründe für die Beliebtheit und die weite Verbreitung des diagnostischen Ultraschalls ist seine Freiheit von Nebenwirkungen. Mit zunehmender Ausgangsleistung diagnostischer Ultraschallgeräte steigt allerdings, wie im Folgenden beschrieben, die Wahrscheinlichkeit, unerwünschte thermische und mechanische Gewebeeffekte zu induzieren. Methode und Resultate: Insbesondere die in den letzten Jahren steigenden negativen Spitzendrücke der applizierten diagnostischen Ultraschallpulse erhöhen das Risiko, Kavitationen im Körper hervorzurufen. Das Schädigungspotenzial ultraschallinduzierter Kavitationsblasen liegt unter anderem in der Dynamik solcher Blasen, die z. B. im Schallfeld stark oszillieren und somit große Strömungen hervorrufen können, aber auch im möglichen Kollaps der Blasen, bei dem lokal hohe Energien freigesetzt werden. Diese Energiefreisetzung bedingt einige biologisch relevante Sekundäreffekte wie die Bildung von Schockwellen, Flüssigkeitsjets oder auch freier Radikale. Um dem Anwender einen Anhaltspunkt für das Auftreten mechanischer Bioeffekte zu geben, wurde der Mechanische Index (MI) eingeführt, der inzwischen bei fast allen neueren diagnostischen Ultraschallgeräten online angezeigt wird. In zunehmendem Maße werden für die Diagnostik Ultraschall-Kontrastmittel eingesetzt. Es ist davon auszugehen, dass diese kleinen stabilisierten Gasblasen die Schwelle für das Auftreten von Kavitation erniedrigen und somit die Wahrscheinlichkeit biologischer Effekte erhöhen. Mechanische ultraschallbedingte Nebenwirkungen wurden in vielen In-vivo-Studien an Tieren überprüft. Hierbei konnten im Bereich des diagnostischen Ultraschalls nur bei Beschallungen gegen Gas-Gewebe-Grenzschichten - wie sie in Lunge und Darm vorkommen - oder bei hohen Kontrastmitteldosen Nebenwirkungen wie Hämorrhagien oder kapilläre Rupturen festgestellt werden. Schlussfolgerungen: Obwohl in zahlreichen klinischen Studien am Menschen keine ultraschallbedingten Nebenwirkungen beobachtet wurden, sind nach derzeitigem Kenntnisstand Schädigungen möglich. Aus diesem Grund haben Verbände wie z. B. der WFUMB Leitlinien für eine sichere Anwendung von diagnostischem Ultraschall erlassen.

Cavitations in Biological Tissues

Aim: An important reason for the high popularity of diagnostic ultrasound is its lack of hazardous side effects. However, as described below, the probability of inducing undesirable thermal and mechanical effects in tissue increases with a rise in the output of diagnostic ultrasound machines. Methods and Results: The use of increasing negative peak pressures of the applied ultrasound pulse enhances the risk of inducing cavitation inside the body. The potential damage of cavitation results from the dynamic, e. g. wild pulsation, and a collapse of bubbles in the respective sound field. The collapse, especially, releases a high amount of energy, related to secondary effects like shock waves, jet formation and the formation of free radicals. To estimate the likelihood of cavitation and ensuing mechanical biological effects the so-called mechanical index was defined. Nowadays, the mechanical index is displayed in real-time on modern diagnostic ultrasound machines. Echo-contrast agents play an increasing role in sonography. These stabilised gas particles increase the likelihood of cavitation formation and the occurrence of other biological side effects. The potential for mechanically induced side effects of diagnostic ultrasound was tested in many animal studies. As for the use of ultrasound for diagnostic purposes, adverse side effects, like haemorrhage or rupture of capillaries, were only observed in the presence of tissue-gas interfaces - as found in the lung or the intestine - or with high concentrations of contrast media. Conclusion: Even though no adverse effects of diagnostic ultrasound have been reported in humans, potentially damaging effect of advanced ultrasound techniques cannot be denied. Various ultrasound organizations, e. g. WFUMB, have therefore formulated recommendations for the safe use of diagnostic ultrasound.

Schlüsselwörter:

Ultraschalltechniken - Nebenwirkungen - Biologische Schäden - Kavitationen - Mechanischer Index

Key words:

Ultrasound techniques - Side effects - Biological damage - Cavitations - Contrast media - Mechanical index

Literatur

• 1 Whittingham T A. The acoustic output of diagnostic machines. In: ter Haar G, Druck FA (Eds) The safe use of ultrasound in medical diagnosis. London; British Institute of Radiology 2000: 16-31
• 2 Flynn H G. Physics of acoustic cavitation in liquids. In: Mason WP (Ed) Physical Acoustics vol I part B. New York; Academic Press 1964: 57-172
• 3 Apfel R E, Holland C K. Gauging the likelihood of cavitation from short-pulse, low-duty cycle diagnostic ultrasound.  Ultrasound Med Biol. 1991;  17 179-185
• 4 Flynn H G. Generation of transient cavities in liquids by microsecond pulses of ultrasound.  J Acoust Soc Am. 1982;  71 1926-1932
• 5 Carmichael A J, Mossaba M M, Riesz P, Christman C L. Free radical production in aqueous solutions exposed to simulated ultrasonic diagnostic conditions.  IEEE Trans UFCC. 1986;  32 148-155
• 6 Jenne J, Moosmann M, Simiantonakis I, Rastert R, Huber P, Rheinwald M, Haase T, Debus J. ESR Dosimetry of Free Radicals - A Comparison between High Intensity Ultrasound Fields and an Ionizing Cs137 Source.  IEEE Ultrasonic Symp Proc. 2000;  2 1363-1366
• 7 Holland C K, Apfel R E. An improved theory for the prediction of microcavitation due to pulsed ultrasound.  IEEE Trans UFFC. 1989;  36 204-208
• 8 Miller D L, Quddus J. Diagnostic ultrasound activation of contrast agent gas bodies induces capillary rupture in mice.  Proc Natl Acad Sci USA. 2000b;  97 10 179-10 184
• 9 Delius M, Denk R, Berding C, Liebich H, Jordan M, Brendel W. Biological effects of shock waves: cavitation by shock waves in picklet liver.  Ultrasound Med Biol. 1990;  16 467-472
• 10 Coleman A J, Chio M J, Saunders J E, Leighton T G. Acoustic emission and sonoluminescence due to cavitation at the beam focus of an electrohydraulic shockwave lithotripter.  Ultrasound Med Biol. 1992;  18 267-281
• 11 Huber P, Debus J, Peschke P, Hahn E W, Lorenz W. In vivo detection of ultrasonically induced cavitation by a fibre-optic technique.  Ultrasound Med Biol. 1994;  20 811-825
• 12 Coleman A J, Chio M J, Saunders J E. Detection of acoustic cavitation in tissue during clinical extracorporeal lithotripsy.  Ultrasound Med Biol. 1996;  22 1079-1087
• 13 Chausy C. Extracorporal shock wave lithotripsy: new aspects in the treatment of kidney stone disease. Basel; Karger 1982
• 14 Raeman C H, Child S Z, Dalecki D, Mayer R, Parker K J, Carstensen E L. Damage to murine kidney and intestine from exposure to the fields of a piezoelectric lithotripter.  Ultrasound Med Biol. 1994;  20 589-594
• 15 Dalecki D, Raeman C H, Child S Z, Carstensen E L. Thresholds for intestinal hemorrhage in mice exposed to a piezoelectric lithotripter.  Ultrasound Med Biol. 1995;  21 1239-1246
• 16 Miller D L, Thomas R M. Thresholds for hemorrhages in mouse skin and intestine induced by lithotripter shock waves.  Ultrasound Med Biol. 1995;  21 249-257
• 17 Delius M, Enders G, Heine G, Stark J, Remberger K, Brendel W. Biological effects of shock waves: lung hemorrhage by shock waves in dogs - pressure dependance.  Ultrasound Med Biol. 1987;  13 61-67
• 18 Delius M, Jordan M, Eizenhoefer H, Marlinghaus E, Heine G, Liebich H G, Brendel W. Biological effects of shock waves: kidney hemorrhage by shock waves in dogs - administration rate dependance.  Ultrasound Med Biol. 1988a;  14 689-694
• 19 Delius M, Enders G, Xuan Z, Liebich H G, Brendel W. Kidney damage by shock waves in dogs - dose dependence.  Ultrasound Med Biol. 1988b;  14 117-122
• 20 Debus J, Peschke P, Hahn E W, Lorenz A, Iffländer H, Zabel H J, van Kaick G, Pfeiler M. Treatment of the Dunning prostate rat tumor R3327-AT1 with pulsed high energy ultrasound shock waves (PHEUS): grow delay and histomorphologic changes.  J Urol. 1991;  146 1143-1146
• 21 Child S Z, Hartmen C L, Schery L A, Carstensen E L. Lung damage from exposure to pulsed Ultrasound.  Ultrasound Med Biol. 1990;  16 817-825
• 22 Penny D P, Schenk E A, Maltby K, Hartmann-Raeman C, Child S Z, Carstensen E L. Morphological effects of pulsed ultrasound in the lung.  Ultrasound Med Biol. 1993;  19 127-135
• 23 Tarantal A F, Canfield D R. Ultrasound-induced lung hemorrhage in the monkey.  Ultrasound Med Biol. 1993;  20 65-72
• 24 Frizzell L A, Chen E, Lee C. Effects of pulsed ultrasound on the mouse neonate: hind limb paralysis and lung hemorrhage.  Ultrasound Med Biol. 1994;  20 53-63
• 25 Dalecki D, Child S Z, Raeman C H, Cox C, Penny D P, Carstensen E L. Age dependence of ultrasonically-induced lung hemorrhage in mice.  Ultrasound Med Biol. 1997a;  23 767-776
• 26 Baggs R, Penny D P, Cox C, Child S Z, Raeman C H, Dalecki D, Carstensen E L. Thresholds for ultrasonically induced lung hemorrhage in neonatal swine.  Ultrasound Med Biol. 1996;  22 119-128
• 27 Holland C K, Deng C X, Apfel R E, Alderman J L, Fernandez L A, Taylor K JW. Direct evidence of cavitation in vivo from diagnostic ultrasound.  Ultrasound Med Biol. 1996;  22 917-925
• 28 Zachary J G, O’Brien W D. Lung lesions induced by continuous- and pulsed-wave (diagnostic) ultrasound in mice, rabbits and pigs.  Vet Pathol. 1995;  32 43-54
• 29 Dalecki D, Child S Z, Raeman C H, Cox C, Carstensen E L. Ultrasonically induced lung hemorrhage in young swine.  Ultrasound Med Biol. 1997b;  23 777-781
• 30 Dalecki D, Raeman C H, Child S Z, Carstensen E L. Intestinal hemorrhage from exposure to pulsed ultrasound.  Ultrasound Med Biol. 1995;  21 1067-1072
• 31 Carstensen E L, Gracewski S, Dalecki D. The search for cavitation in vivo.  Ultrasound Med Biol. 2000;  26 1377-1385
• 32 O’Brien W D, Frizzell L A, Weigel R M, Zachery J F. Ultrasound-induced lung hemorrhage is not caused by inertial cavitation.  J Acoust Soc. 2000;  108 1290-1297
• 33 Miller D L. Frequency relationship for ultrasonic activation of free microbubbles, encapsulated microbubbles, and gas-filled micropores.  J Acoust Soc Am. 1998;  104 2498-2505
• 34 de Jong N, Cornet R, Lancee C T. Higher harmonics of vibrating gas-filled microspheres. Part one: simulations.  Ultrasonics. 1994a;  32 447-453
• 35 de Jong N, Cornet R, Lancee C T. Higher harmonics of vibrating gas-filled microspheres. Part two: measurements.  Ultrasonics. 1994b;  32 455-459
• 36 Uhlendorf Y, Hoffmann C. Nonlinear acoustical response of coated microbubbles in diagnostic ultrasound. IEEE Ultrasonic Symposium Proceedings 1994: 1559-1562
• 37 Frinking P JA, de Jong N, Cespedes E I. Scatter properties of encapsulated gas bubbles at high ultrasound pressures.  J Acoust Soc Am. 1999;  105 1989-1996
• 38 Roy R A, Church C C, Calabrese A. Cavitation produced by short pulses of ultrasound. In Frontiers in Nonlinear Acoustics: Proceedings of 12th ISNA. Austin, TX; 1990: 476-481
• 39 Holland C K, Apfel R E. Thresholds for transient cavitation produced y pulsed ultrasound in a controlled nuclei environment.  J Acoust Soc Am. 1990;  88 2059-2069
• 40 Holland C K, Roy R A, Apfel R E, Crum L A. In vitro detection of cavitation induced by a diagnostic ultrasound system.  IEEE Trans UFFC. 1992;  39 95-101
• 41 Dalecki D, Raman C H, Child S Z, Cox C, Francis C W, Meltzer R S, Carstensen E L. Hemolysis in vivo from exposure to pulsed ultrasound.  Ultrasound Med Biol. 1997;  23 307-313
• 42 Killam A L, Greener Y, McFerran B A, Maniquis J, Bloom A, Widder K J, Bittrich H C. Lack of bioeffects of ultrasound energy after intravenous administration of FS069 (Optison) in the anesthetized rabbit.  J Ultrasound Med. 1998;  17 349-356
• 43 Miller D L, Gies R A. Ultrasonically induced vascular damage to mouse intestine.  J Acoust Soc Am. 1999;  105 1324-1325
• 44 Miller D L, Gies R A. The influence to ultrasound frequency and gas-body composition on the contrast agent-mediated enhancement of vascular bioeffects in mouse intestine.  Ultrasound Med Biol. 2000;  26 307-313
• 45 Skyba D M, Price R J, Linka A Z, Skalak T C, Kaul S. Direct in vivo visualization of intravscular destruction of microbubbles by ultrasound and its local effects on tissue.  Circulation. 1998;  98 290-293
• 46 Dalecki D, Child S Z, Raeman C H, Xing C, Gracewski S, Carstensen E L. Bioeffects of positive and negative acoustic pressures in mice infused with microbubbles.  Ultrasound Med Biol. 2000;  26 1327-1332
• 47 O’Brien W D, Frizzell L A, Schäfer D J, Zachery J F. Superthreshold behavior of ultrasound-induced lung hemorrhage in adult mice and rats: role of pulse repetition frequency and exposure duration.  IEEE Ultrasonics Symp Proc. 2000;  2 1291-1294
• 48 Barnett S B, ter Haar G R, Ziskin M V, Rott H D, Duck F A, Maeda K. International recommendations and guidelines for the safe use of diagnostic ultrasound in medicine.  Ultrasound Med Biol. 2000;  26 355-366
• 49 WFUMB Symposium on safety of ultrasound in medicine . Recommendations on the safe use of ultrasound.  Ultrasound Med Biol Suppl. 1998;  24 15-16
• 50 Barnett S B, ter Haar G. Guidelines and recommendations for the safe use of diagnostic ultrasound: the user's responsibility. In: ter Haar G, Duck FA (Eds) The safe use of ultrasound in medical diagnosis. London; British Institute of Radiology 2000: 16-31
• 51 Fowlkes J B, Holland C K. Mechanical bioeffects from diagnostic ultrasound: AIUM Consensus Statements.  J Ultrasound Med. 2000;  19 67-168
• 52 WFUMB Symposium on safety of ultrasound in medicine . Ultrasound Med Biol Suppl. 1998;  24 1-55
• 53 Debus J, Spoo J, Jenne J, Huber P, Peschke P. Sonochemical induced radicals generated by pulsed high-energy ultrasound in vitro and in vivo.  Ultrasound Med Biol. 1999;  25 301-306
• 54 Edler S A. Cavitation microstreaming.  J Acoust Soc Am. 1959;  31 54-64