Gli ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU) sono una tecnica terapeutica rivoluzionaria utilizzata per trattare i tumori. Il principio di questo non invasivo, il trattamento mirato è molto simile a quello di focalizzare la luce solare attraverso una lente, utilizzando un trasduttore ultrasonico come una lente convessa per concentrare gli ultrasuoni in una piccola regione focale. In un articolo apparso questa settimana su Rivista di fisica applicata , un team multi-istituzionale di ricercatori in Cina ha ora progettato un semi-chiuso, trasduttore a cavità sferica per potenziali applicazioni in HIFU in grado di generare un costante, campo di onde stazionarie con una regione focale della scala della lunghezza d'onda inferiore e intensità degli ultrasuoni estremamente elevata.
HIFU concentra l'energia ultrasonica in una regione focale utilizzando un trasduttore ultrasonico, che converte i segnali elettrici in onde sonore, aumentare la temperatura all'interno del tumore oltre i 65 C, uccidere le cellule senza danneggiare il tessuto circostante. Questa precisione terapeutica dipende dalle dimensioni della regione focale e dall'intensità degli ultrasuoni focalizzati generati dal trasduttore.
La dimensione della regione focale generata dal trasduttore a cavità sferica era di circa il 50-70 percento della lunghezza d'onda su scala millimetrica, e l'ampiezza della pressione guadagna su tre ordini di grandezza. In contrasto, la dimensione della regione focale generata da un tradizionale trasduttore sferico concavo è circa 10 volte la lunghezza d'onda, e il guadagno dell'ampiezza della pressione è generalmente inferiore a 200. Il livello di intensità incanalato attraverso una regione focale più stretta prodotta dal nuovo design del trasduttore potrebbe essere un miglioramento significativo nell'HIFU per i trattamenti mirati del cancro.
Le simulazioni numeriche che modellano i campi focalizzati sono fondamentali per fornire le informazioni dettagliate necessarie per stimare le prestazioni dei trasduttori ultrasonici utilizzati nella terapia HIFU. Il metodo Boltzmann (LBM) che modella il reticolo utilizzato dal team è un nuovo metodo di simulazione mesoscopica nato alla fine del XX secolo. Sebbene sia diverso dalla tradizionale equazione del flusso macroscopico o dalla simulazione della dinamica molecolare microscopica (MDS), prende i vantaggi di entrambi. LBM può descrivere alcuni flussi complessi che potrebbero essere difficili da modellare utilizzando i tradizionali approcci di fluidodinamica computazionale.
"La dimensione della regione focale generata dai trasduttori sferici concavi convenzionali è limitata dalla diffrazione acustica all'ordine solitamente della lunghezza d'onda degli ultrasuoni, ma questo non soddisfa le esigenze di trattamenti più sofisticati, " disse Dong Zhang, un ricercatore presso l'Istituto di Acustica in Cina. "Poiché è fondamentale ridurre le dimensioni della regione focale fornendo energia ultrasonica sufficiente, ci è stato chiesto di progettare un nuovo tipo di trasduttore a ultrasuoni."
Gli approcci tradizionali di simulazione acustica sono generalmente basati sulle soluzioni numeriche delle equazioni delle onde. Questi approcci possono fornire simulazioni approssimative del campo acustico, ma non incorporare i dettagli del flusso fisico, e non può gestire facilmente i confini con una struttura geometrica complessa. Inoltre, questi metodi tradizionali sono computazionalmente costosi.
La realizzazione del pieno potenziale di questo nuovo strumento e delle nuove applicazioni richiede ulteriori ricerche mirate.
"Stiamo lavorando per migliorare la tecnica di misurazione in caso di alta pressione e per costruire un modello LBM non isotermico e comprimibile basato su un reticolo complesso per catturare i dettagli del campo acustico e descrivere in modo più accurato la non linearità acustica associata, " disse Zhang. "Inoltre, considerando che la cavitazione acustica è inevitabile in condizioni di pressione estrema, vogliamo costruire un modello LBM multifase per studiare la dinamica delle bolle, e indagare ulteriormente sulla cavitazione e sul getto di collasso".
Le potenziali applicazioni non si limitano alla sola terapia HIFU. Per esempio, alcuni fenomeni fisici unici potrebbero essere osservati e studiati nelle condizioni di estrema pressione fornite da questo dispositivo.
"Abbiamo progettato il trasduttore a cavità sferica, un dispositivo che ha una struttura nuova ma semplice, e potrebbe generare sia la regione focale della scala della lunghezza d'onda inferiore che l'intensità ultrasonica estremamente elevata, " Zhang ha detto
Inoltre, mentre l'LBM è ampiamente utilizzato nelle simulazioni fluidodinamiche e raramente in campi acustici, fornisce uno strumento nuovo ma promettente per simulare complicati campi acustici.
