Развитие во времени флуктуаций температуры T G1 ∗ (а) в источнике звука (граничное условие) и (б) в фокусе рис. 3 (а), где газом внутри пузырька является аргон. Черная, красная и синяя кривые представляют собой осциллограммы флуктуаций температуры, срок диссипации за счет межфазной вязкости и сжимаемости жидкости и срок диссипации за счет теплопроводности газа. Предоставлено : Ультразвуковая сонохимия (2022). DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.105911

Лечение сфокусированным ультразвуком для удаления опухолей или дробления камней в почках с помощью ударно-волновой литотрипсии может дать шанс улучшить результаты лечения пациентов без воздействия электромагнитного излучения или излучения частиц. Однако эти методы основаны на понимании того, как ультразвуковые волны распространяются в сложных средах, таких как живые ткани. Это особенно верно для терапии абляции опухоли, которая работает, направляя тепло, создаваемое ультразвуком, на разрушение больных клеток. Необходимы более полные уравнения распространения волн, чтобы обеспечить правильную реализацию этих модальностей.

Теперь ученые из Университета Цукубы расширили обычную модель распространения звуковых волн, включив в нее несколько пузырьков. Уравнение Хохлова—Заболоцкой—Кузнецова (КЗК) ранее использовалось в качестве упрощенной модели нелинейного распространения сфокусированного ультразвука в чистой жидкости. Возможность написать одно уравнение для согласованного моделирования нелинейного ультразвука, колебаний пузырьков и колебаний температуры открывает путь к медицинским приложениям с улучшенными микропузырьками.

« Математическая модель для медицинских приложений с использованием пузырьков должна описывать нелинейность как распространения ультразвука, так и колебаний пузырьков», — говорит автор, профессор Тецуя Канагава. Ученые использовали метод комбинирования нескольких шкал размеров путем вычисления усредненных по объему основных уравнений для пузырьковых жидкостей. Полученные уравнения содержали условия для нелинейных эффектов, рассеяния звука, дисперсии и фокусировки. В частности, сам срок диссипации зависел от трех факторов: межфазной вязкости жидкости, сжимаемости жидкости и теплопроводности газа внутри пузырьков.

«В будущих уточнениях мы можем добавить теоретические расширения уравнения KZK, которые включают эффекты вязкости объемной жидкости, эластичность тканей тела и теплопередачу », — говорит профессор Канагава. Одним из первых применений является использование микропузырьков в качестве контрастных веществ для улучшения разрешения ультразвуковых изображений. Однако они также могут быть распространены на вмешательства, которые осуществляют целенаправленную абляцию тканей.