Focalização de feixes ultrassônicos provocada pela calota craniana: simulação computacional e experimentos = The skullcap's ability to focus ultrasonic beams: computer simulation and experiments

Autor(es)

Patricia Cardoso de Andrade

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
• Data de defesa: 2022-02-21

Membros da banca

Eduardo Tavares Costa; Leonardo Abdala Elias; Wagner Coelho de Albuquerque Pereira; Li Min Li; Antonio Adilton Oliveira Carneiro

• Orientador: Eduardo Tavares Costa

Resumo

A neuromodulação por ultrassom focalizado (FUS) tem se mostrado uma ferramenta de neuromodulação particularmente útil no tratamento de doenças neuropsiquiátricas, apresentando vantagens com relação às outras técnicas, pois é uma técnica não invasiva e com resolução espacial milimétrica. Neste estudo, campos acústicos e taxas de deposição de calor foram simulados para diferentes fontes de ultrassom focadas no cérebro, para modelo humano e utilizando-se de diferentes protocolos de estimulação usados em aplicações para neuromodulação. O sucesso da técnica de neuromodulação por ultrassom depende da precisão do ponto focal ultrassônico. Este estudo prevê a penetrabilidade e a focalização dos pulsos ultrassônicos através do crânio permitindo verificar a viabilidade e segurança da técnica tFUS para a neuromodulação. Por meio de um estudo in silico, empregamos a toolbox k-Wave para gerar e avaliar mapas de pressão acústica 3D gerados por um e dois transdutores FUS de elemento. A velocidade do som e densidade do crânio, tecido cerebral e pele (coeficientes de atenuação de 11, 0,6 e 0,5 dBcm-1MHz-1, respectivamente), foram estimados a partir de unidades Hounsfield obtidas de imagens de tomografia computadorizada. As sequências de pulso simuladas consistiram em rajadas senoidais com comprimento de pulso de 300 µs, ciclo de trabalho de 50% ou 60% e duração de burst de 0,5s, 1s, 2s, 3s, 4s, totalizando 10 protocolos FUS. Para avaliar a segurança, a deposição de calor em todo o cérebro também foi avaliada. A metodologia aqui proposta demonstra a importância do planejamento do tratamento para a entrega eficiente de energia, mantendo níveis seguros de temperatura no cérebro. As simulações acústicas nos permitiram verificar que em comparação com um único transdutor ultrassônico mono elemento (TUME), o uso de dois transdutores monoelementos permite transmitir e entregar uma amplitude de pressão acústica mais alta e mais homogênea no cérebro, com aumento de 71% (para o transdutor de 250 kHz) e 49% (para o transdutor de 500 kHz) da máxima amplitude no foco; E, atingir estruturas mais profundas com o ponto focal encontrado aproximadamente 1 cm mais profundo do que quando se usa 1 TUME. possibilitando um aparato experimental para neuromodulação com uma configuração de custo mais baixo, se comparada com a configuração de transdutores multielementos. Observamos um aumento máximo de 0,5 ºC no crânio, sendo a duração da sonificação e da duração do ciclo de trabalho os fatores mais relevantes para o aumento da temperatura do meio. A codificação dos pulsos ultrassônicos por chirp demonstrou ser eficaz para minimizar a deposição térmica no crânio e na região focal. Este estudo, também, nos permitiu verificar que transdutores planares possuem o potencial para serem utilizados em aplicações com neuromodulação por ultrassom e que transdutores focalizados com frequências mais altas das que geralmente são usadas em humanos (800 kHz), também têm o potencial de serem utilizados para neuromodulação, se focalizados através da fossa temporal do crânio humano, permitindo uma pressão máxima no foco capaz de induzir a ativação de canais sensíveis à mecânica do meio (AU)

• Processo FAPESP: 19/14217-8 - Contribuição ao estudo sobre neuromodulação ultrassônica transcraniana focalizada
• Beneficiário: Patrícia Cardoso de Andrade
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado