El ultrasonido focalizado de alta intensidad HIFU es una técnica terapéutica innovadora utilizada para tratar tumores. El principio de este tratamiento dirigido no invasivo es muy similar al de enfocar la luz solar a través de una lente, utilizando un transductor ultrasónico como una lente convexa para concentrar el ultrasonidoen una pequeña región focal. En un artículo que aparece esta semana en el Revista de Física Aplicada , de AIP Publishing, un equipo multiinstitucional de investigadores en China ha diseñado un transductor de cavidad esférico semicerrado para una posible aplicación en HIFU que puede generar un campo estable de onda estacionaria con una región focal a escala de sublongitud de onda yintensidad de ultrasonido extremadamente alta.
HIFU concentra la energía ultrasónica en una región focal mediante el uso de un transductor ultrasónico, que convierte las señales eléctricas en ondas de sonido, para elevar la temperatura dentro del tumor a más de 65 C, matando las células sin dañar el tejido circundante. Esta precisión terapéutica depende deel tamaño de la región focal y la intensidad del ultrasonido focalizado 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 a escala milimétrica, y la amplitud de presión ganaba más de tres órdenes de magnitud. En contraste, el tamaño de la región focal generada por unEl 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 ajustada producida por el nuevo diseño del transductor podría ser una mejora significativa en HIFU para tratamientos contra el cáncer dirigidos.
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 método de enrejado de Boltzmann LBM que el equipo utilizó es un novedoso método de simulación mesoscópica nacido al finaldel siglo 20. Si bien es diferente de la ecuación de flujo macroscópica tradicional o de la simulación microscópica de dinámica molecular MDS, aprovecha las ventajas de ambas. El LBM puede describir algunos flujos complejos que podrían ser difíciles de modelar utilizando la dinámica de fluidos computacional tradicionalenfoques.
"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, pero esto no satisface las necesidades de tratamientos más sofisticados", dijo Dong Zhang, investigador delInstituto de Acústica en China. "Debido a que es crucial reducir el tamaño de la región focal mientras se suministra suficiente energía ultrasónica, se nos solicitó diseñar un nuevo tipo de transductor ultrasónico".
Los enfoques tradicionales de simulación acústica generalmente se basan en las soluciones numéricas de las ecuaciones de onda. Estos enfoques pueden proporcionar simulaciones aproximadas del campo acústico, pero no incorporan los detalles del flujo físico y no pueden manejar fácilmente los límites con una estructura geométrica compleja. Además,estos métodos tradicionales son computacionalmente caros.
Darse cuenta de todo el potencial de esta nueva herramienta y aplicaciones requiere una investigación enfocada adicional.
"Estamos trabajando para mejorar la técnica de medición en casos de alta presión y para construir un modelo LBM no isotérmico y compresible basado en una red compleja para capturar los detalles del campo acústico y describir la no linealidad acústica acompañante con mayor precisión", Zhang"Además, teniendo en cuenta que la cavitación acústica es inevitable en condiciones de presión extrema, queremos construir un modelo LBM multifásico para estudiar la dinámica de las burbujas e investigar más a fondo la cavitación y el chorro de colapso".
Las aplicaciones potenciales no se limitan solo a la terapia HIFU. Por ejemplo, algunos fenómenos físicos únicos podrían observarse e investigarse 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 la escala de longitud de onda inferior como una intensidad ultrasónica extremadamente alta", dijo Zhang
Además, aunque el LBM se usa ampliamente en simulaciones dinámicas de fluidos y rara vez en campos acústicos, proporciona una herramienta novedosa pero prometedora para simular campos acústicos complicados.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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