Högintensivt fokuserat ultraljud (HIFU) är en banbrytande terapeutisk teknik som används för att behandla tumörer. Principen för detta icke -invasiva, riktad behandling är ungefär som att fokusera solljus genom en lins, med hjälp av en ultraljudsgivare som en konvex lins för att koncentrera ultraljud till ett litet fokusområde. I en artikel som visas i veckan i Journal of Applied Physics , ett multinstitutionellt team av forskare i Kina har nu designat ett halvt slutet, sfärisk hålrumsgivare för potentiell applikation i HIFU som kan generera en stabil, stående vågfält med en subvåglängdskala fokalregion och extremt hög ultraljudsintensitet.
HIFU koncentrerar ultraljudsenergi till ett fokusområde med hjälp av en ultraljudsgivare, som omvandlar elektriska signaler till ljudvågor, för att höja temperaturen i tumören till över 65 C, döda celler utan att skada den omgivande vävnaden. Denna terapeutiska precision är beroende av storleken på fokalområdet och intensiteten hos fokuserat ultraljud som genereras av omvandlaren.
Storleken på fokalområdet som genererades av den sfäriska kavitetsomvandlaren var cirka 50 till 70 procent av millimeterskalans våglängd, och tryckamplitudförstärkningen över tre storleksordningar. I kontrast, storleken på fokalområdet som genereras av en traditionell konkav sfärisk givare är cirka 10 gånger våglängden, och tryckamplitudförstärkningen är generellt lägre än 200. Intensitetsnivån som kanaliseras genom ett stramare fokalområde som produceras av den nya givardesignen kan vara en betydande förbättring av HIFU för riktade cancerbehandlingar.
De numeriska simuleringarna som modellerar de fokuserade fälten är nyckeln till att tillhandahålla detaljerad information som behövs för att uppskatta prestanda för ultraljudsgivare som används i HIFU -terapi. Gitteret Boltzmann -metoden (LBM) som modellen använde är en ny mesoskopisk simuleringsmetod som föddes i slutet av 1900 -talet. Även om det är annorlunda än antingen den traditionella makroskopiska flödesekvationen eller mikroskopisk molekylär dynamiksimulering (MDS), det tar fördelarna med båda. LBM kan beskriva några komplexa flöden som kan vara svåra att modellera med hjälp av traditionella beräkningsvätskedynamikmetoder.
"Storleken på fokalområdet som genereras av konventionella sfäriska konkava givare begränsas av akustisk diffraktion till vanligtvis storleken på ultraljudsvåglängden, men detta tillgodoser inte behoven hos mer sofistikerade behandlingar, "sa Dong Zhang, en forskare vid Institute of Acoustics i Kina. "Eftersom det är avgörande att minska storleken på fokalområdet samtidigt som man ger tillräcklig ultraljudsenergi, vi uppmanades att designa en ny typ av ultraljudsgivare. "
Traditionella akustiska simuleringsmetoder är i allmänhet baserade på de numeriska lösningarna för vågekvationer. Dessa tillvägagångssätt kan ge ungefärliga simuleringar av det akustiska fältet, men inkludera inte de fysiska flödesdetaljerna, och kan inte enkelt hantera gränser med komplex geometrisk struktur. Dessutom, dessa traditionella metoder är beräkningsmässigt dyra.
För att inse den fulla potentialen för detta nya verktyg och applikationer krävs ytterligare fokuserad forskning.
"Vi arbetar för att förbättra mättekniken vid högt tryck och att bygga en icke-isotermisk och komprimerbar LBM-modell baserad på ett komplext gitter för att fånga detaljerna i det akustiska fältet och beskriva den medföljande akustiska olineariteten mer exakt, "Sade Zhang." Också, med tanke på att akustisk kavitation är oundviklig under extrema tryckförhållanden, vi vill bygga en flerfas LBM -modell för att studera bubbeldynamik, och vidare undersöka kavitationen och kollapsstrålen. "
De potentiella tillämpningarna är inte begränsade till bara HIFU -terapi. Till exempel, några unika fysiska fenomen kunde observeras och undersökas under extrema tryckförhållanden som tillhandahålls av denna enhet.
"Vi konstruerade den sfäriska kavitetsomvandlaren, en enhet som har en ny men enkel struktur, och kan generera både subvåglängdsskalans fokalområde och extremt hög ultraljudsintensitet, "Sa Zhang
Dessutom, medan LBM används flitigt i flytande dynamiska simuleringar och sällan i akustiska fält, det ger ett nytt men lovande verktyg för att simulera komplicerade akustiska fält.
