Neuroestimulación por ultrasonido

Título

Neuroestimulación por ultrasonido

Colaborador

Lew, Sergio
Gwirc, Sergio Néstor

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2021

Extensión

223 h.

Resumen

En esta Tesis, se propone el uso de polidimetilsiloxano (PDMS) en lentes axicónicas de campo estrecho, adecuadas para neuroestimulación transcraneal mediante ultrasonido pulsado de baja frecuencia y baja intensidad. Se realizó una caracterización, tanto numérica como experimental, del campo acústico de una lente axicónica, con un ángulo de 144º y 14 mm de radio acoplada a un transductor convencional (no enfocado) del mismo radio. La resolución lateral y axial a través del cráneo fue de 5 mm y 18 mm, respectivamente, comparable a la resolución espacial que exhiben los transductores de segmento esférico, pero con una distancia focal 7 veces menor, en promedio, al ser suprimido por la lente el campo cercano del transductor. Sin embargo, para que una lente axicónica posea dicha resolución y control focal es necesario ajustar la separación entre el transductor y la lente de manera óptima. Se modeló la propagación del ultrasonido, mediante un método pseudoespectral, a través del sistema de la lente para una frecuencia de 0,5 MHz. Se midieron las propiedades de los materiales y se modeló la geometría de la lente para diferentes ángulos. Las mediciones se realizaron mediante barridos de trama bidimensionales con un hidrófono en agua desionizada, en condiciones de campo libre y a través del cráneo. Se obtuvo un modelo de diseño que tiene en cuenta la separación óptima entre el transductor y la lente, en función de la distancia focal normalizada, mediante fórmulas relativamente simples. El cráneo no resultó ser un obstáculo para enfocar el ultrasonido con lentes axicónicas. El abordaje propuesto permitió mejorar la resolución espacial lateral de la lente en hasta un 50% y proporciona una forma completa para el diseño de ventanas craneales utilizando lentes axicónicas basadas en PDMS.
In this Thesis, the use of polydimethylsiloxane (PDMS) is proposed in axicon lenses with narrow depth of field, suitable for transcranial neurostimulation by means of low-frequency and low-intensity pulsed ultrasound. A characterization, both numerical and experimental, of the acoustic field of an axicon lens was carried out, with an angle of 144º and 14 mm of radius coupled to a conventional transducer (not focused) of the same radius. The lateral and axial resolution through the skull were 5 mm and 18 mm, respectively, comparable to the spatial resolution exhibited by spherical segment transducers, but with a focal length 7 times shorter, on average, as the lens suppressed the near field of the transducer. However, for an axicon lens to have such resolution and focal control it is necessary to adjust the separation between the transducer and axicon lens, called stand-off, optimally. The propagation of ultrasound was modeled, by a pseudospectral method, through the lens system for a frequency of 0.5 MHz. The properties of the materials were measured and the geometry of the lens was modeled for different angles. Measurements were made by two-dimensional raster scans with a hydrophone in deionized water, under free-field conditions and through the skull. A design model that takes into account the optimal stand-off, as a function of the normalized focal length, was obtained using relatively simple formulas. The skull did not prove to be an obstacle to focusing the ultrasound with axicon lenses. The proposed approach allowed to improve the lateral spatial resolution of the lens by up to 50% and provides a complete guideline for the design of cranial windows using PDMS-based axicon lenses.