Echografie - geluid met frequenties die hoger zijn dan de frequenties die voor mensen hoorbaar zijn - wordt vaak gebruikt bij diagnostische beeldvorming van de zachte weefsels van het lichaam, inclusief spieren, gewrichten, pezen en inwendige organen. Een technologie genaamd hoge-intensiteit gerichte echografie (HIFU) wordt ook onderzocht voor therapeutische toepassingen, waaronder het verwijderen van vleesbomen en de vernietiging van tumoren.

De methode heeft beperkingen, echter, grotendeels omdat botten in het lichaam afstoten, breken, vervormen en absorberen de golven. Hoewel de meeste medische toepassingen van ultrageluid kunnen werken rond botstructuren, twee delen van het lichaam zijn bijzonder uitdagend:de lever (omdat deze zich meestal in de ribbenkast bevindt) en de hersenen (die zich in de schedel bevinden).

Een reeks niet-invasieve, adaptieve focustechnieken - waarmee ultrasone stralen door de ribbenkast en schedel kunnen worden gefocust - zullen worden beschreven tijdens Acoustics '17 Boston, de derde gezamenlijke bijeenkomst van de Acoustical Society of America en de European Acoustics Association die wordt gehouden van 25-29 juni, in Boston, Massachusetts.

Jean-François Aubry, onderzoeksdirecteur bij CNRS (het Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek in Frankrijk) en een uitgenodigde universitair hoofddocent aan de Universiteit van Virginia zullen uitleggen hoe de technologie achter HIFU vergelijkbaar is met hoe een optische lens (zoals een vergrootglas) licht focust. Hier, echter, een akoestische lens wordt gebruikt om meerdere bundels ultrasone golven op het interessegebied te focussen, bijvoorbeeld een levertumor. De bundels worden gegenereerd door piëzo-elektrische transducers, of "elementen" - apparaten die een elektrische stroom omzetten in mechanische spanning.

"Tumorablatie [vernietiging] kan worden bereikt door de weefseltemperatuur in bepaalde gebieden te verhogen, totdat thermische necrose is verkregen - meestal door de weefsels gedurende een periode van 10 seconden op te warmen tot 60 graden Celsius, " zei Aubry. Een bot, echter, heeft een absorptiecoëfficiënt die 10 keer hoger is dan die van zachte weefsels, dat wil zeggen, bot absorbeert geluidsgolven 10 keer effectiever dan zachte weefsels - en dit kan leiden tot oververhitting van de ribben en zelfs ernstige brandwonden op de bovenliggende huid.

Om dit te voorkomen, Aubry en collega's hebben een niet-invasieve "time-reversal"-techniek ontwikkeld, de DORT-methode genoemd, die ultrasone golven door de ribben focust door gebruik te maken van de beeldvormingsmogelijkheden van een array met meerdere elementen.

Eerst, een geluidsimpuls wordt uitgezonden door elk element in de array, en de corresponderende terugverstrooide echo's van de ribben worden opgenomen. Door de terugverstrooiing van meerdere elementen te analyseren, het is mogelijk om de vorm te berekenen van een ultrasone straal die tussen de ribben zal soniceren, het bot volledig vermijden.

Echografie in de hersenen is ingewikkeld omdat het bot van de schedel, naast opwarmen wanneer een ultrasone straal wordt toegepast, vervormt die straal, waardoor het niet goed op het beoogde weefsel kan worden gericht. Een oplossing is het gebruik van arrays met meerdere elementen in combinatie met computertomografie (CT) en magnetische resonantiebeeldvorming (MR). Op CT gebaseerde simulaties maken een schatting mogelijk van de faseverschuivingen die door de schedel worden veroorzaakt en de arrays genereren bundels die corrigeren voor die aberraties. MR wordt gebruikt om de behandeling te begeleiden en te monitoren. Zoals Aubry in zijn toespraak zal beschrijven, arrays met 1024 elementen worden nu gebruikt voor de behandeling van essentiële tremor, Parkinson-tremoren en hersentumoren.

Hoewel het toevoegen van steeds meer elementen aan deze sondes de focus van het signaal kan verbeteren, een groter aantal elementen betekent ook hogere kosten. Om dit te omzeilen, Aubry en zijn collega's hebben een op lenzen gebaseerd transcraniaal focusapparaat ontwikkeld en gepatenteerd dat slechts één piëzo-elektrisch transducerelement gebruikt, bedekt met een 3D siliconen akoestische lens van variabele dikte. Dit op een lens gebaseerde element, hij zei, is gelijk aan een 11, 000-element transducer in termen van zijn fasevormende mogelijkheden. Hoewel het nog niet klinisch wordt gebruikt, het systeem met één element zou kunnen worden gebruikt voor toepassingen met lage intensiteit, zoals neuromodulatie (de modulatie van neuronale activiteit) en om gelokaliseerde en omkeerbare openingen in de bloed-hersenbarrière te slaan; met toekomstige wijzigingen, Aubry zei, het systeem zou kunnen worden gebruikt om tumornecrose te induceren.