O ultrassom focalizado de alta intensidade (HIFU) é uma técnica terapêutica inovadora usada para tratar tumores. O princípio deste não invasivo, o tratamento direcionado é muito parecido com o de focalizar a luz do sol através de uma lente, usando um transdutor ultrassônico como uma lente convexa para concentrar o ultrassom em uma pequena região focal. Em um artigo publicado esta semana no Journal of Applied Physics , uma equipe multi-institucional de pesquisadores na China já projetou um semi-fechado, transdutor de cavidade esférica para aplicação potencial em HIFU que pode gerar um campo de ondas estacionárias com região focal na escala de comprimento de onda e intensidade de ultrassom extremamente alta.
HIFU concentra a energia ultrassônica em uma região focal usando um transdutor ultrassônico, que converte sinais elétricos em ondas sonoras, para aumentar a temperatura dentro do tumor acima de 65 C, matando células sem danificar o tecido circundante. Essa precisão terapêutica depende do tamanho da região focal e da intensidade do ultrassom focalizado gerado pelo transdutor.
O tamanho da região focal gerada pelo transdutor de cavidade esférica era de cerca de 50 a 70 por cento do comprimento de onda em escala milimétrica, e o ganho de amplitude de pressão em três ordens de magnitude. Em contraste, o tamanho da região focal gerada por um transdutor esférico côncavo tradicional é cerca de 10 vezes o comprimento de onda, e o ganho de amplitude de pressão é geralmente inferior a 200. O nível de intensidade canalizado através de uma região focal mais estreita produzida pelo novo design de transdutor pode ser uma melhoria significativa no HIFU para tratamentos de câncer direcionados.
As simulações numéricas que modelam os campos focalizados são essenciais para fornecer as informações detalhadas necessárias para estimar o desempenho dos transdutores ultrassônicos usados na terapia HIFU. O método de rede Boltzmann (LBM) modelando que a equipe usou é um novo método de simulação mesoscópica que nasceu no final do século XX. Embora seja diferente da equação de fluxo macroscópica tradicional ou da simulação de dinâmica molecular microscópica (MDS), leva as vantagens de ambos. O LBM pode descrever alguns fluxos complexos que podem ser difíceis de modelar usando abordagens tradicionais de dinâmica de fluidos computacional.
"O tamanho da região focal gerada por transdutores côncavos esféricos convencionais é restrito por difração acústica normalmente à ordem do comprimento de onda do ultrassom, mas isso não atende às necessidades de tratamentos mais sofisticados, "disse Dong Zhang, pesquisador do Instituto de Acústica da China. "Porque é crucial reduzir o tamanho da região focal enquanto fornece energia ultrassônica suficiente, fomos solicitados a projetar um novo tipo de transdutor ultrassônico. "
As abordagens tradicionais de simulação acústica são geralmente baseadas em soluções numéricas de equações de onda. Essas abordagens podem fornecer simulações aproximadas do campo acústico, mas não incorpore os detalhes do fluxo físico, e não consegue lidar facilmente com limites com estruturas geométricas complexas. Além disso, esses métodos tradicionais são caros do ponto de vista computacional.
Perceber todo o potencial desta nova ferramenta e aplicações requer alguma pesquisa adicional focada.
"Estamos trabalhando para melhorar a técnica de medição em casos de alta pressão e para construir um modelo LBM não isotérmico e compressível com base em uma rede complexa para capturar os detalhes do campo acústico e descrever a não linearidade acústica associada com mais precisão, "Zhang disse." Além disso, considerando que a cavitação acústica é inevitável em condições de extrema pressão, queremos construir um modelo LBM multifásico para estudar a dinâmica da bolha, e investigar mais a cavitação e o jato de colapso. "
As aplicações potenciais não se limitam apenas à terapia HIFU. Por exemplo, alguns fenômenos físicos únicos podem ser observados e investigados sob as condições extremas de pressão fornecidas por este dispositivo.
"Projetamos o transdutor de cavidade esférica, um dispositivo que tem uma estrutura nova, mas simples, e poderia gerar a região focal da escala de sub-comprimento de onda e a intensidade ultrassônica extremamente alta, "Zhang disse
Além disso, enquanto o LBM é amplamente utilizado em simulações de dinâmica de fluidos e raramente em campos acústicos, ele fornece uma ferramenta nova, mas promissora, para simular campos acústicos complicados.
