Ny metode opvarmer ultralydstilgang til behandling af tumorer

Højintensitets fokuseret ultralyd (HIFU) er en banebrydende terapeutisk teknik, der bruges til behandling af tumorer. Princippet om dette ikke -invasive, målrettet behandling minder meget om at fokusere sollys gennem en linse, ved at bruge en ultralydstransducer som en konveks linse til at koncentrere ultralyd i et lille fokalområde. I en artikel, der vises i denne uge i Journal of Applied Physics , et multiinstitutionelt team af forskere i Kina har nu designet et halvlukket, sfærisk hulrumstransducer til potentiel anvendelse i HIFU, der kan generere en stabil, stående bølgefelt med en brændvidde i en subbølgelængde og ekstremt høj ultralydsintensitet.

HIFU koncentrerer ultralydsenergi til et fokalområde ved at bruge en ultralydstransducer, som omdanner elektriske signaler til lydbølger, at hæve temperaturen i tumoren til over 65 C, dræber celler uden at beskadige det omgivende væv. Denne terapeutiske præcision er afhængig af størrelsen af ​​fokalområdet og intensiteten af ​​fokuseret ultralyd genereret af transduceren.

Størrelsen af ​​fokalområdet genereret af den sfæriske hulrumstransducer var omkring 50 til 70 procent af millimeter-skalaens bølgelængde, og trykamplitudeforstærkningen over tre størrelsesordener. I modsætning, størrelsen af ​​fokalområdet genereret af en traditionel konkav sfærisk transducer er cirka 10 gange bølgelængden, og trykamplitudeforstærkningen er generelt lavere end 200. Intensitetsniveauet kanaliseret gennem en strammere fokal region produceret af det nye transducerdesign kan være en væsentlig forbedring af HIFU til målrettede cancerbehandlinger.

De numeriske simuleringer, der modellerer de fokuserede felter, er nøglen til at give den detaljerede information, der er nødvendig for at estimere ydeevnen af ​​ultralydstransducere, der bruges i HIFU-terapi. Gitteret Boltzmann -metoden (LBM), der modellerede holdet, er en ny mesoskopisk simuleringsmetode født i slutningen af ​​det 20. århundrede. Selvom det er anderledes end enten den traditionelle makroskopiske strømningsligning eller den mikroskopiske molekylære dynamiksimulering (MDS), det tager fordelene ved begge dele. LBM kan beskrive nogle komplekse strømme, der kan være vanskelige at modellere ved hjælp af traditionelle beregningsmæssige væskedynamiske tilgange.

"Størrelsen af ​​fokalområdet genereret af konventionelle sfæriske konkave transducere er begrænset af akustisk diffraktion til normalt rækkefølgen af ​​ultralydbølgelængden, men dette opfylder ikke behovene ved mere sofistikerede behandlinger, " sagde Dong Zhang, en forsker ved Institute of Acoustics i Kina. "Fordi det er afgørende at reducere størrelsen af ​​fokusområdet, samtidig med at der tilføres tilstrækkelig ultralydsenergi, vi blev bedt om at designe en ny slags ultralydstransducer."

Traditionelle akustiske simuleringsmetoder er generelt baseret på de numeriske løsninger af bølgeligninger. Disse fremgangsmåder kan give omtrentlige simuleringer af det akustiske felt, men inkorporer ikke de fysiske flowdetaljer, og kan ikke let håndtere grænser med kompleks geometrisk struktur. Ud over, disse traditionelle metoder er beregningsmæssigt dyre.

At realisere det fulde potentiale i dette nye værktøj og applikationer kræver yderligere fokuseret forskning.

"Vi arbejder på at forbedre måleteknikken i tilfælde af højt tryk og på at bygge en ikke-isoterm og komprimerbar LBM-model baseret på et komplekst gitter for at fange detaljerne i det akustiske felt og beskrive den ledsagende akustiske ikke-linearitet mere præcist, "Sagde Zhang." Også, i betragtning af at akustisk kavitation er uundgåelig under ekstreme trykforhold, vi ønsker at opbygge en flerfaset LBM -model for at studere bobledynamik, og yderligere undersøge kavitation og kollapsstråle. "

De potentielle anvendelser er ikke begrænset til kun HIFU -terapi. For eksempel, nogle unikke fysiske fænomener kunne observeres og undersøges under de ekstreme trykforhold, der leveres af denne enhed.

"Vi designede den sfæriske hulrumstransducer, en enhed, der har en ny, men enkel struktur, og kunne generere både brændvidderegionen i subbølgelængden og ekstremt høj ultralydsintensitet, "Sagde Zhang

Ud over, mens LBM er meget udbredt i flydende dynamiske simuleringer og sjældent i akustiske felter, det giver et nyt, men lovende værktøj til at simulere komplicerede akustiske felter.