Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) sont une technique thérapeutique révolutionnaire utilisée pour traiter les tumeurs. Le principe de cette non invasive, le traitement ciblé ressemble beaucoup à celui de la focalisation de la lumière du soleil à travers une lentille, en utilisant un transducteur à ultrasons comme une lentille convexe pour concentrer les ultrasons dans une petite région focale. Dans un article paru cette semaine dans le Journal de physique appliquée , une équipe multi-institutionnelle de chercheurs en Chine a maintenant conçu un semi-fermé, transducteur à cavité sphérique pour une application potentielle dans HIFU qui peut générer une constante, champ d'ondes stationnaires avec une région focale à l'échelle inférieure à la longueur d'onde et une intensité ultrasonore extrêmement élevée.
HIFU concentre l'énergie ultrasonore dans une région focale à l'aide d'un transducteur à ultrasons, qui convertit les signaux électriques en ondes sonores, pour élever la température à l'intérieur de la tumeur au-dessus de 65 C, tuer les cellules sans endommager les tissus environnants. Cette précision thérapeutique dépend de la taille de la zone focale et de l'intensité des ultrasons focalisés générés par le transducteur.
La taille de la région focale générée par le transducteur à cavité sphérique était d'environ 50 à 70 pour cent de la longueur d'onde millimétrique, et le gain d'amplitude de pression sur trois ordres de grandeur. En revanche, la taille de la zone focale générée par un transducteur sphérique concave traditionnel est d'environ 10 fois la longueur d'onde, et le gain d'amplitude de pression est généralement inférieur à 200. Le niveau d'intensité canalisé à travers une région focale plus étroite produite par la nouvelle conception de transducteur pourrait être une amélioration significative de HIFU pour les traitements ciblés du cancer.
Les simulations numériques modélisant les champs focalisés sont essentielles pour fournir les informations détaillées nécessaires pour estimer les performances des transducteurs à ultrasons utilisés dans la thérapie HIFU. La méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) modélisant l'équipe utilisée est une nouvelle méthode de simulation mésoscopique née à la fin du 20e siècle. Bien qu'elle soit différente de l'équation d'écoulement macroscopique traditionnelle ou de la simulation de dynamique moléculaire microscopique (MDS), il prend les avantages des deux. Le LBM peut décrire certains écoulements complexes qui pourraient être difficiles à modéliser à l'aide d'approches traditionnelles de la dynamique des fluides numérique.
"La taille de la région focale générée par les transducteurs concaves sphériques conventionnels est limitée par la diffraction acoustique à généralement l'ordre de la longueur d'onde des ultrasons, mais cela ne répond pas aux besoins de traitements plus sophistiqués, " dit Dong Zhang, chercheur à l'Institut d'acoustique en Chine. "Parce qu'il est crucial de réduire la taille de la zone focale tout en fournissant une énergie ultrasonore suffisante, nous avons été invités à concevoir un nouveau type de transducteur à ultrasons."
Les approches traditionnelles de simulation acoustique sont généralement basées sur les solutions numériques des équations des ondes. Ces approches peuvent fournir des simulations approximatives du champ acoustique, mais n'incorporent pas les détails du flux physique, et ne peut pas facilement gérer les limites avec une structure géométrique complexe. En outre, ces méthodes traditionnelles sont coûteuses en temps de calcul.
Réaliser le plein potentiel de ce nouvel outil et de ses nouvelles applications nécessite des recherches ciblées supplémentaires.
"Nous travaillons à améliorer la technique de mesure en cas de haute pression et à construire un modèle LBM non isotherme et compressible basé sur un réseau complexe pour capturer les détails du champ acoustique et décrire plus précisément la non-linéarité acoustique qui l'accompagne, " dit Zhang. " Aussi, considérant que la cavitation acoustique est inévitable dans des conditions de pression extrêmes, nous voulons construire un modèle LBM multiphase pour étudier la dynamique des bulles, et étudier plus avant la cavitation et le jet d'effondrement."
Les applications potentielles ne se limitent pas à la seule thérapie HIFU. Par exemple, certains phénomènes physiques uniques ont pu être observés et étudiés dans les conditions de pression extrêmes fournies par cet appareil.
"Nous avons conçu le transducteur à cavité sphérique, un dispositif qui a une structure nouvelle mais simple, et pourrait générer à la fois la région focale à l'échelle inférieure à la longueur d'onde et une intensité ultrasonore extrêmement élevée, " dit Zhang
En outre, alors que le LBM est largement utilisé dans les simulations de dynamique des fluides et rarement dans les domaines acoustiques, il fournit un outil nouveau mais prometteur pour simuler des champs acoustiques complexes.
