Cavitation-induced shear waves in soft solids

Abstract

Kavitation spielt heute eine wichtige Rolle in verschiedenen medizinischen Anwendungen. Während die optische Hochgeschwindigkeitsbildgebung ein gängiges Werkzeug zur Untersuchung der Dynamik von Kavitationsblasen ist, stößt sie in biologischem Gewebe aufgrund eingeschränkter optischer Zugänglichkeit an ihre Grenzen. Diese Dissertation nutzt eine Hochbildraten-Plane-Wave-Ultraschalltechnik, die speziell darauf abgestimmt ist, die schnelle Dynamik von Kavitationsblasen in gewebeähnlichen Materialien zu erfassen und ein Echtzeit-Monitoring in biologischem Gewebe zu ermöglichen. Ein weiterer bedeutender Beitrag dieser Arbeit ist die Untersuchung von kavitationsinduzierten Scherwellen in weichen Festkörpern. Es wird gezeigt, dass der nicht-sphärische Kollaps einer Kavitationsblase in einem weichen Material Scherwellen erzeugt, wobei die Wellenenergie und die Ausbreitungsrichtung erheblich von der Dynamik der Blase abhängen. Darüber hinaus wird demonstriert, dass das durch den Kollaps einer Kavitationsblase in ein weiches Material verursachte Jetting ebenfalls Scherwellen erzeugt, deren Energie von der Art des Jettings in das Material abhängt. Die Integration der Hochbildraten-Bildgebung der Blasendynamik mit der Erfassung von Scherwellen stellt einen vielversprechenden Ansatz für das Echtzeit-Monitoring thermischer Ablationsprozesse in biologischem Gewebe dar. Darüber hinaus führt die Dissertation die kavitationsinduzierte Scherwellen-Rheometrie ein, eine neuartige Methode zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften weicher Materialien. Durch die optische Verfolgung der durch Kavitation induzierten Scherwellenausbreitung bietet diese Technik einen minimalinvasiven Ansatz zur Untersuchung des Materialverhaltens. Die Methode zeigt vielversprechende Anwendungen in der Scherwellen-Elastographie und der Rheometrie und liefert wertvolle Erkenntnisse über die Elastizität und mechanischen Eigenschaften von Gewebe unter dynamischen Bedingungen.

Cavitation plays an important role in various medical applications today. While optical high-speed imaging is a common tool for studying cavitation bubble dynamics, it faces challenges in biological tissues where optical access is limited. This thesis utilizes a high-frame-rate plane wave ultrasound technique, specifically tailored to capture the rapid dynamics of cavitation bubbles within tissue-mimicking materials, offering real-time monitoring potential in biological tissues. Another significant contribution of this thesis is the investigation of cavitation-induced shear waves in soft solids. It shows that the non-spherical collapse of a cavitation bubble within a soft material generates shear waves, with significant differences in wave energy and propagation direction depending on the bubble dynamics. Additionally, it demonstrates that jetting caused by the collapse of a cavitation bubble into a soft solid also generates shear waves, where the energy of these waves is dependent on the type of jetting into the material. Integration of high-frame-rate imaging of bubble dynamics and shear wave capture presents a promising approach for real-time monitoring of thermal ablation processes in biological tissues. Moreover, the thesis introduces cavitation induced shear wave rheometry, a novel method for assessing the elastic properties of soft materials. By optically tracking shear wave propagation induced by cavitation, this technique offers a minimally invasive approach to studying material behavior where the technique shows promise for applications in shear wave elastography and rheometry, providing valuable insights into tissue elasticity and mechanical properties under dynamic conditions.