En teknik som en dag kan användas för tumörterapi och avbildning kan förbättras kraftigt tack vare nya insikter från forskare från University of Twente, Erasmus MC och TU Delft.

Forskarna från de tre universiteten löste ett långvarigt mysterium om hur överhettade nanodroppar förångas när de träffas av en ultraljudspuls. Resultaten publicerades förra månaden i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Bildmetoden som teamet har arbetat med kretsar kring nanodroppar av en speciell vätska som kallas perfluorkol som kan injiceras i en människokropp. Dessa droppar kan röra sig ur kärlsystemet och komma in i utrymmet mellan tumörcellerna. Tanken är att aktivera dessa droppar med en intensiv ultraljudspuls. Detta ljud får dropparna att förångas, bilda små gasbubblor som kan ses med hjälp av ultraljudsutrustning.

Samma metod kan också användas för att administrera giftiga läkemedel som transporteras in i tumören av dropparna. Detta bör inte ha några skadliga biverkningar på frisk vävnad i resten av kroppen, vilket gör det till en lokal och kontrollerad form av kemoterapi.

Tekniken är fortfarande i sin linda. Ett viktigt problem är det faktum att ljudets amplitud måste vara mycket hög för att förånga dropparna, även om det kanske inte är så högt att skador kan uppstå på frisk vävnad.

Vad som är lovande med denna nya forskning är dock att den visar hur dropparna kan förångas med ljudvågor som har tillräckligt med energi. Det var känt att droppar kunde förångas med ljud med lägre energi än aktiveringströskeln för dropparna. Men fysiken bakom den har förbryllat forskare i mer än ett decennium.

Med bilder tagna av världens snabbaste kamera, Brandaris 128, forskarna från Twente och Rotterdam kunde se att ultraljudet fokuserades på en enda plats i droppen. Det här var märkligt, eftersom våglängden för det avgivna ultraljudet är många gånger större än droppen, orsakar försumbar fokusering.

Förklaringen kan hittas i ett unikt fenomen som förekommer vid förökning av ultraljud. Ljud är en vågrörelse med högt och lågt tryck som rör sig med ljudets hastighet. Dock, i kroppen, ett högt tryck förökar sig snabbare än ett lågt tryck, förvränga vågen och skapa en chockvåg.

"Faktiskt, en hel serie högre övertoner utvecklas från originalljudet ", säger experten för akustisk bildbehandling Dr. Martin Verweij (Applied Sciences). "Våglängden för dessa högre övertoner är mycket mindre, runt storleken på dropparna, och dessa vågor kan fokusera inuti droppen Kombinationer av olika fokusharmoniker kan konstruktivt störa inuti droppen. Resultatet är ett lokaliserat akustiskt fokus med tillräcklig energi för att förånga droppen. "

Fokuseringen av chockvågorna inuti dropparna observerades experimentellt, men teorin om att detta kunde förstöra dropparna behövde också bevisas med numeriska beräkningar. Det var där Verweij kom in. "Jag gav den numeriska metoden som kunde hantera de små dropparna. Detta gav den forskning som den sista pressen behövde."