Ultraljud - ljud med frekvenser högre än de som hörs för människor - används vanligtvis vid diagnostisk avbildning av kroppens mjuka vävnader, inklusive muskler, skarvar, senor och inre organ. En teknik som kallas högintensitetsfokuserad ultraljud (HIFU) undersöks också för terapeutiska ändamål, inklusive avlägsnande av livmoderfibrer och förstörelse av tumörer.
Metoden har begränsningar, dock, till stor del eftersom ben i kroppen avvisar, bryta, förvränga och absorbera vågorna. Även om de flesta medicinska tillämpningar av ultraljud kan arbeta runt beniga strukturer, två delar av kroppen är särskilt utmanande:levern (eftersom den mestadels är begränsad i bröstkorgen) och hjärnan (inrymd i skallen).
En svit av icke -invasiva, adaptiva fokuseringstekniker - som gör att ultraljudstrålar kan fokuseras genom bröstkorgen och skallen - kommer att beskrivas under Acoustics '17 Boston, det tredje gemensamma mötet för Acoustical Society of America och European Acoustics Association som hålls 25-29 juni, i Boston, Massachusetts.
Jean-François Aubry, forskningsdirektör vid CNRS (National Center for Scientific Research in France) och en inbjuden docent vid University of Virginia kommer att förklara hur tekniken bakom HIFU liknar hur en optisk lins (som ett förstoringsglas) fokuserar ljus. Här, dock, en akustisk lins används för att fokusera flera strålar av ultraljudsvågor på intresseområdet - säg, en levertumör. Strålarna genereras av piezoelektriska omvandlare, eller "element" - enheter som omvandlar en elektrisk ström till mekanisk spänning.
"Tumörablation [förstörelse] kan uppnås genom att öka vävnadstemperaturen i riktade regioner, tills termisk nekros erhålls - vanligtvis genom att värma vävnaderna upp till 60 grader Celsius under en period av 10 sekunder, Sa Aubry. Ett ben, dock, har en absorptionskoefficient som är 10 gånger högre än mjukvävnadens - det vill säga ben absorberar ljudvågor 10 gånger mer effektivt än mjukvävnad - och detta kan leda till överhettning av revbenen och till och med allvarliga brännskador på den överliggande huden.
För att förhindra detta, Aubry och kollegor har utvecklat en icke-invasiv "time-reversal" -teknik, kallas DORT -metoden, som fokuserar ultraljudsvågor genom revbenen genom att dra nytta av bildförmågan hos en multi-element array.
Först, en ljudimpuls avges från varje element i matrisen, och motsvarande återspridna ekon från revbenen registreras. Genom att analysera backspridningen från flera element, det är möjligt att beräkna formen på en ultraljudsstråle som kommer att sonikera mellan revbenen, helt undvika benet.
Ultraljud i hjärnan är komplicerat eftersom skallen i skallen, förutom uppvärmning när en ultraljudsstråle appliceras, förvränger den strålen, förhindra att den fokuseras ordentligt på den riktade vävnaden. En lösning är att använda flera elementarrayer i kombination med datortomografi (CT) och magnetisk resonanstomografi (MR). CT-baserade simuleringar möjliggör en uppskattning av de fasskift som induceras av skallen och matriserna genererar strålar som korrigerar för dessa avvikelser. MR används för att styra och övervaka behandlingen. Som Aubry kommer att beskriva i sitt tal, matriser med 1024 element används nu för behandling av essentiell tremor, Parkinsonskakningar och hjärntumörer.
Även om tillägg av fler och fler element till dessa sonder kan förbättra fokuseringen av signalen, ett större antal element innebär också högre kostnad. För att komma runt detta, Aubry och hans kollegor har utvecklat och patenterat en linsbaserad transkraniell fokuseringsenhet som endast använder ett piezoelektriskt givarelement, täckt med en 3D akustisk lins av varierande tjocklek. Detta linsbaserade element, han sa, motsvarar en 11, 000-element givare när det gäller dess fasformande kapacitet. Även om det ännu inte är i klinisk användning, enkelelementsystemet kan användas för applikationer med låg intensitet, såsom neuromodulering (modulering av neuronal aktivitet) och att stansa lokaliserade och reversibla öppningar i blod-hjärnbarriären; med framtida ändringar, Aubry sa, systemet kan användas för att inducera tumörnekros.
