Een techniek die ooit gebruikt kan worden voor tumortherapie en beeldvorming kan sterk verbeterd worden dankzij nieuwe inzichten verkregen door wetenschappers van de Universiteit Twente, het Erasmus MC en de TU Delft.

De onderzoekers van de drie universiteiten hebben een lang bestaand mysterie opgelost over hoe oververhitte nanodruppels verdampen wanneer ze worden geraakt door een puls van ultrageluid. De bevindingen werden vorige maand gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

De beeldvormingsmethode waaraan het team heeft gewerkt, draait om nanodruppeltjes van een speciale vloeistof, perfluorkoolstof genaamd, die in een menselijk lichaam kan worden geïnjecteerd. Deze druppeltjes kunnen uit het vaatstelsel bewegen en de ruimte tussen de tumorcellen binnendringen. Het idee is om deze druppeltjes te activeren met een intense puls van ultrageluid. Dit geluid zorgt ervoor dat de druppeltjes verdampen, vorming van kleine gasbelletjes die kunnen worden bekeken met behulp van ultrasone beeldvormingsapparatuur.

Dezelfde methode kan ook worden gebruikt om giftige medicijnen toe te dienen die door de druppeltjes in de tumor worden gebracht. Dit mag geen schadelijke bijwerkingen hebben op gezond weefsel in de rest van het lichaam, waardoor het een gelokaliseerde en gecontroleerde vorm van chemotherapie wordt.

De techniek staat nog in de kinderschoenen. Een belangrijk probleem is het feit dat de amplitude van het geluid erg hoog moet zijn om de druppels te verdampen, terwijl het misschien niet zo hoog is dat schade aan gezond weefsel kan optreden.

Wat echter veelbelovend is aan dit nieuwe onderzoek, is dat het laat zien hoe de druppeltjes kunnen worden verdampt met geluidsgolven die net genoeg energie hebben. Het was bekend dat druppeltjes kunnen worden verdampt met geluid met een lagere energie dan de activeringsdrempel van de druppeltjes. Maar de fysica erachter houdt onderzoekers al meer dan een decennium in verwarring.

Met behulp van beelden die zijn vastgelegd met 's werelds snelste camera, de Brandaris 128, de onderzoekers uit Twente en Rotterdam konden zien dat de echo op één plek in de druppel werd gericht. Dit was eigenaardig, omdat de golflengte van het uitgezonden ultrageluid vele malen groter is dan de druppel, verwaarloosbare scherpstelling veroorzaken.

De verklaring is te vinden in een uniek fenomeen dat optreedt bij de voortplanting van ultrageluid. Geluid is een golfbeweging van hoge en lage druk die zich met de snelheid van het geluid voortbeweegt. Echter, in het lichaam, een hoge druk plant zich sneller voort dan een lage druk, de golf vervormen en een schokgolf creëren.

"In feite, een hele reeks hogere harmonischen ontwikkelt zich uit het oorspronkelijke geluid", zegt akoestische beelddeskundige dr. Martin Verweij (TNW). "De golflengte van deze hogere harmonischen is veel kleiner, ongeveer de grootte van de druppeltjes, en deze golven kunnen zich in de druppel concentreren. Combinaties van verschillende harmonischen van focus kunnen constructief interfereren in de druppel. Het resultaat is een gelokaliseerde akoestische focus met voldoende energie om de druppel te verdampen."

De focussering van de schokgolven in de druppeltjes werd experimenteel waargenomen, maar de theorie dat dit de druppeltjes zou kunnen vernietigen, moest ook worden bewezen met numerieke berekeningen. Daar kwam Verweij in beeld. "Ik zorgde voor de numerieke methode die de minuscule druppeltjes aankon. Dit gaf het onderzoek het laatste zetje dat het nodig had."