El ultrasonido enfocado de alta intensidad (HIFU) es una técnica terapéutica innovadora utilizada para tratar tumores. El principio de este no invasivo, El tratamiento dirigido es muy parecido al de enfocar la luz solar a través de una lente, utilizando un transductor ultrasónico como una lente convexa para concentrar el ultrasonido en una pequeña región focal. En un artículo que aparece esta semana en el Revista de física aplicada , un equipo multiinstitucional de investigadores en China ahora ha diseñado un semicerrado, transductor de cavidad esférica para una posible aplicación en HIFU que puede generar un campo de onda estacionaria con una región focal de escala de sublongitud de onda y una intensidad de ultrasonido extremadamente alta.
HIFU concentra la energía ultrasónica en una región focal mediante el uso de un transductor ultrasónico, que convierte señales eléctricas en ondas sonoras, para elevar la temperatura dentro del tumor por encima de 65 C, matar células sin dañar el tejido circundante. Esta precisión terapéutica depende del tamaño de la región focal y de la intensidad del ultrasonido enfocado generado por el transductor.
El tamaño de la región focal generada por el transductor de cavidad esférica era aproximadamente del 50 al 70 por ciento de la longitud de onda de la escala milimétrica, y la ganancia de amplitud de presión sobre tres órdenes de magnitud. A diferencia de, el tamaño de la región focal generada por un transductor esférico cóncavo tradicional es aproximadamente 10 veces la longitud de onda, y la ganancia de amplitud de presión es generalmente inferior a 200. El nivel de intensidad canalizado a través de una región focal más estrecha producida por el nuevo diseño del transductor podría ser una mejora significativa en HIFU para tratamientos dirigidos contra el cáncer.
Las simulaciones numéricas que modelan los campos enfocados son clave para proporcionar la información detallada necesaria para estimar el rendimiento de los transductores ultrasónicos utilizados en la terapia HIFU. El modelo de celosía de Boltzmann (LBM) que utilizó el equipo es un nuevo método de simulación mesoscópica nacido a finales del siglo XX. Si bien es diferente a la ecuación de flujo macroscópica tradicional o la simulación de dinámica molecular microscópica (MDS), aprovecha las ventajas de ambos. El LBM puede describir algunos flujos complejos que pueden ser difíciles de modelar utilizando enfoques tradicionales de dinámica de fluidos computacional.
"El tamaño de la región focal generada por los transductores cóncavos esféricos convencionales está restringido por difracción acústica al orden de la longitud de onda del ultrasonido, por lo general, pero esto no satisface las necesidades de tratamientos más sofisticados, "dijo Dong Zhang, investigador del Instituto de Acústica de China. "Debido a que es crucial reducir el tamaño de la región focal mientras se suministra suficiente energía ultrasónica, se nos pidió que diseñáramos un nuevo tipo de transductor ultrasónico ".
Los enfoques tradicionales de simulación acústica se basan generalmente en soluciones numéricas de ecuaciones de ondas. Estos enfoques pueden proporcionar simulaciones aproximadas del campo acústico, pero no incorpore los detalles del flujo físico, y no puede manejar fácilmente los límites con una estructura geométrica compleja. Además, estos métodos tradicionales son computacionalmente costosos.
Hacer realidad todo el potencial de esta nueva herramienta y sus aplicaciones requiere una investigación adicional enfocada.
"Estamos trabajando para mejorar la técnica de medición en casos de alta presión y para construir un modelo LBM no isotérmico y comprimible basado en una celosía compleja para capturar los detalles del campo acústico y describir la no linealidad acústica acompañante con mayor precisión, "Dijo Zhang." Además, Considerando que la cavitación acústica es inevitable en condiciones de presión extrema, queremos construir un modelo LBM multifase para estudiar la dinámica de las burbujas, e investigar más a fondo la cavitación y el colapso a chorro ".
Las aplicaciones potenciales no se limitan solo a la terapia HIFU. Por ejemplo, Se pudieron observar e investigar algunos fenómenos físicos únicos bajo las condiciones de presión extrema proporcionadas por este dispositivo.
"Diseñamos el transductor de cavidad esférica, un dispositivo que tiene una estructura novedosa pero simple, y podría generar tanto la región focal de escala de sublongitud de onda como una intensidad ultrasónica extremadamente alta, "Dijo Zhang
Además, mientras que el LBM se usa ampliamente en simulaciones de dinámica de fluidos y rara vez en campos acústicos, proporciona una herramienta novedosa pero prometedora para simular campos acústicos complicados.
