Физики из Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ вместе с коллегами из Вашингтонского университета придумали новый способ дистанционного разрушения опухолей внутри тела человека с помощью крошечных пузырей. О своей работе ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале IEEE Transactionson Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control.
Ультразвуковые волны применяются в методе, называемом гитотрипсией с кипением. В ходе этой процедуры происходит механическое разрушение опухолевой ткани, которое достигается за счет ее нагрева до высокой температуры. Однако диффузия тепла делает результат воздействия непредсказуемым и, что очень важно, с помощью УЗИ нельзя увидеть результат такого облучения, поэтому приходится использовать дорогостоящие магнитно-резонансные томографы. Кроме того, было неизвестно, как получить ультразвуковую волну с ударным фронтом необходимой амплитуды.
Ученые установили, что основным параметром излучателя является угол схождения волнового пучка, показывающий, насколько сильно должен быть сфокусирован ультразвук. Чем больше этот угол, тем большей амплитуды ударного фронта можно достичь. Найти количественную зависимость помогли численные методы. Так, если в фокусе нужно получить амплитуду ударного фронта в 100 мегапаскалей, то требуется излучатель с углом схождения в 60 градусов.
Мичиганские исследователи научились механически разрушать ткани, создавая в области «облако кавитации» размером с рисовое зерно с помощью микросекундных ультразвуковых импульсов с рекордно высокой амплитудой. Ученые из Москвы и Сиэтла решили ту же проблему путем локализованного вскипания ткани. Они использовали более длительные импульсы, порядка миллисекунды, но меньшей амплитуды.
При распространении таких импульсов в очень небольшой области (диаметром около 0,1 миллиметра и длиной 1 миллиметр) образуются ударные фронты. Под их действием ткань нагревается и взрывным образом вскипает, вырастая в пузырь миллиметрового размера. Это происходит настолько быстро, что он начинает перекрывать путь тонкому фокусированному ультразвуковому «лучу» еще до окончания действия импульса. Возникают эффекты акустического фонтана и ультразвукового распыления. В результате ткань разрывается на частицы микронного размера, которые выбрасываются внутрь пузыря, образуя в его центре гомогенизированную массу.
По мнению ученых, оба этих метода механического разрушения ткани открывают новые возможности в ультразвуковой хирургии. Их действие предсказуемо, а рождающееся кавитационное облако, как и возникающий в процессе кипения пузырь, дает о себе знать ответным ультразвуковым эхом, которое проявляется при использовании простого УЗИ.