Gefocusseerde ultrageluid met hoge intensiteit (HIFU) is een baanbrekende therapeutische techniek die wordt gebruikt om tumoren te behandelen. Het principe van deze niet-invasieve, gerichte behandeling lijkt veel op het focussen van zonlicht door een lens, met behulp van een ultrasone transducer zoals een convexe lens om ultrageluid te concentreren in een klein brandpuntsgebied. In een artikel dat deze week in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , een multi-institutioneel team van onderzoekers in China heeft nu een semi-ingesloten, sferische holtetransducer voor mogelijke toepassing in HIFU die een stabiele, staande-golfveld met een brandpuntsgebied op subgolflengteschaal en extreem hoge ultrasone intensiteit.

HIFU concentreert ultrasone energie in een brandpuntsgebied door een ultrasone omvormer te gebruiken, die elektrische signalen omzet in geluidsgolven, om de temperatuur in de tumor te verhogen tot boven 65 C, het doden van cellen zonder het omringende weefsel te beschadigen. Deze therapeutische precisie is afhankelijk van de grootte van het brandpuntsgebied en de intensiteit van gefocusseerd ultrageluid dat door de transducer wordt gegenereerd.

De grootte van het brandpuntsgebied gegenereerd door de sferische holtetransducer was ongeveer 50 tot 70 procent van de millimetergolflengte, en de drukamplitudeversterking over drie ordes van grootte. In tegenstelling tot, de grootte van het brandpuntsgebied dat wordt gegenereerd door een traditionele concave sferische transducer is ongeveer 10 keer de golflengte, en de versterking van de drukamplitude is over het algemeen lager dan 200. Het intensiteitsniveau dat door een nauwer brandpuntsgebied wordt gekanaliseerd, geproduceerd door het nieuwe transducerontwerp, zou een significante verbetering kunnen zijn in HIFU voor gerichte kankerbehandelingen.

De numerieke simulaties die de gefocusseerde velden modelleren, zijn essentieel voor het leveren van de gedetailleerde informatie die nodig is om de prestaties van ultrasone transducers die bij HIFU-therapie worden gebruikt, te schatten. De lattice Boltzmann-methode (LBM) die het team gebruikte, is een nieuwe mesoscopische simulatiemethode die aan het einde van de 20e eeuw is geboren. Hoewel het anders is dan de traditionele macroscopische stroomvergelijking of de microscopische moleculaire dynamica-simulatie (MDS), het neemt de voordelen van beide. De LBM kan enkele complexe stromen beschrijven die mogelijk moeilijk te modelleren zijn met behulp van traditionele computationele vloeistofdynamica-benaderingen.

"De grootte van het brandpuntsgebied dat wordt gegenereerd door conventionele sferische concave transducers wordt beperkt door akoestische diffractie tot meestal de orde van de ultrasone golflengte, maar dit voldoet niet aan de behoeften van meer geavanceerde behandelingen, " zei Dong Zhang, een onderzoeker aan het Institute of Acoustics in China. "Omdat het cruciaal is om de grootte van het brandpuntsgebied te verkleinen en tegelijkertijd voldoende ultrasone energie te leveren, we werden gevraagd om een ​​nieuw soort ultrasone transducer te ontwerpen."

Traditionele akoestische simulatiebenaderingen zijn over het algemeen gebaseerd op de numerieke oplossingen van golfvergelijkingen. Deze benaderingen kunnen bij benadering simulaties van het akoestische veld opleveren, maar neem niet de fysieke stroomdetails op, en kan niet gemakkelijk omgaan met grenzen met een complexe geometrische structuur. In aanvulling, deze traditionele methoden zijn rekenkundig duur.

Om het volledige potentieel van deze nieuwe tool en toepassingen te realiseren, is aanvullend gericht onderzoek nodig.

"We werken aan het verbeteren van de meettechniek in gevallen van hoge druk en aan het bouwen van een niet-isotherm en samendrukbaar LBM-model op basis van een complex rooster om de details van het akoestische veld vast te leggen en de bijbehorende akoestische niet-lineariteit nauwkeuriger te beschrijven, "Zei Zhang. "Ook, overwegende dat akoestische cavitatie onvermijdelijk is onder extreme drukomstandigheden, we willen een meerfasig LBM-model bouwen om bellendynamiek te bestuderen, en de cavitatie en collapsstralen verder onderzoeken."

De mogelijke toepassingen zijn niet beperkt tot alleen HIFU-therapie. Bijvoorbeeld, enkele unieke fysieke verschijnselen konden worden waargenomen en onderzocht onder de extreme drukomstandigheden die door dit apparaat worden geboden.

"We hebben de sferische holtetransducer ontworpen, een apparaat met een nieuwe maar eenvoudige structuur, en kan zowel het brandpuntsgebied op subgolflengteschaal als extreem hoge ultrasone intensiteit genereren, "Zhang zei

In aanvulling, terwijl de LBM veel wordt gebruikt in vloeistofdynamische simulaties en zelden in akoestische velden, het biedt een nieuw maar veelbelovend hulpmiddel om gecompliceerde akoestische velden te simuleren.