© MPI für Intelligente Systeme

Therapieën met ultrageluid kunnen in de toekomst effectiever en gemakkelijker worden. Een team van onderzoekers onder leiding van Peer Fischer van Max-Planck-Institut voor Intelligente Systemen en de Universiteit Stuttgart heeft een projector ontwikkeld die flexibel en met relatief weinig technische inspanning driedimensionale ultrasone velden moduleert.

Daardoor kunnen geluidsdrukprofielen met een hogere resolutie en een hogere geluidsdruk worden gegenereerd dan met de technologie die momenteel in gebruik is. Met deze nieuwe techniek kan de therapie uiterst nauwkeurig op de situatie van de individuele patiënt worden afgestemd.

Ultrageluid voor kankerbehandeling

Zowel in de geneeskunde als in de materiaalkunde wordt ultrageluid op grote schaal gebruikt als diagnostisch hulpmiddel. Ultrasound kan ook therapeutisch worden gebruikt. In de VS worden bijvoorbeeld baarmoedertumoren en prostaattumoren behandeld met een krachtige echografie. De echografie vernietigt de kankercellen door specifiek het zieke weefsel te verhitten.

Onderzoekers over de hele wereld maken ook gebruik van ultrasound om tumoren en andere pathologische veranderingen in de hersenen te bestrijden. “Om beschadiging van gezond weefsel te voorkomen, moet het geluidsdrukprofiel heel precies worden gevormd”, legt Peer Fischer uit. Hij is hoofd van een onderzoeksgroep aan het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen en hoogleraar aan de Universiteit van Stuttgart.

Vervorming door het schedeldak

Het afstemmen van een intensief echoveld op ziek weefsel wordt in de hersenen bemoeilijkt door het feit dat het schedeldak de geluidsgolf vervormt. De Spatial Ultrasound Modulator (SUM), een ruimtelijke ultrasoundmodulator die is ontwikkeld door onderzoekers uit de groep van Peer Fischer, kan dit probleem oplossen.

De techniek kan niet alleen voor diagnostische en therapeutische doeleinden worden gebruikt. Fischer ziet ook toepassingen in biomedische laboratoria. “Het kan worden gebruikt om cellen in organoïdenmodellen te rangschikken. Zulke organoïden maken zinvolle tests van farmaceutische middelen mogelijk en zouden daarom ten minste gedeeltelijk dierproeven kunnen vervangen”, zegt Peer Fischer.

Twee vliegen in een klap

Conventionele methoden variëren geluidsvelden met verschillende individuele geluidsbronnen. De geluidsgolven kunnen op elkaar worden gestapeld en ten opzichte van elkaar worden verschoven. Aangezien de afzonderlijke geluidsbronnen echter niet naar believen kunnen worden geminiaturiseerd, is de resolutie van deze geluidsdrukprofielen beperkt tot 1000 pixels. De geluidszenders zijn zo klein dat de geluidsdruk wel voldoende is voor diagnostische, maar niet voor therapeutische doeleinden.

Met de nieuwe technologie genereren de onderzoekers echter eerst een ultrasone geluidsgolf en moduleren vervolgens zelf het geluidsdrukprofiel. Daarmee slaan ze twee vliegen in één klap: “Op deze manier kunnen we veel krachtigere ultrasound transducers -een soort miniatuurluidsprekers- gebruiken”, legt Kai Melde uit, die het SUM-ontwikkelingsteam leidde. “Bovendien is het dankzij een chip met 10.000 pixels die de ultrasone golf moduleert, mogelijk om een veel fijner resolutieprofiel te genereren”.

Akoestische eigenschappen ultrageluid

“Om het geluidsdrukprofiel te moduleren, maken we gebruik van de verschillende akoestische eigenschappen van water en lucht”, zegt Zhichao Ma, een postdoc in de groep van Peer Fischer die een sleutelrol heeft gespeeld in de ontwikkeling van de nieuwe technologie: “Terwijl een ultrasone golf ongehinderd door een vloeistof gaat, wordt deze volledig gereflecteerd door luchtbellen. De Stuttgart-onderzoekers bouwden een chip ter grootte van een duimnagel, waarop ze door middel van elektrolyse op 10.000 elektroden waterstofbellen kunnen produceren in een dunne film van water. De elektroden hebben elk een randlengte van minder dan een tiende van een millimeter en kunnen individueel worden bestuurd.

Geluidsdrukprofielen

Zo ontstaat een geluidsdrukprofiel met uitsparingen op de punten waar de luchtbellen zich bevinden. Om een ander geluidsprofiel te vormen, vegen de onderzoekers eerst de luchtbellen weg van de chip en genereren vervolgens met gasbellen een nieuw patroon. Met behulp van de ultrasone projector is het Stuttgart-team in staat om in ongeveer tien seconden een nieuw geluidsprofiel te genereren. “Met andere chips kunnen we de beeldfrequentie in de toekomst aanzienlijk verhogen,” zegt Kai Melde.

Foto: De onderzoekers toonden aan hoe precies en variabel de nieuwe projector voor ultrasound werkt door het alfabet te spellen in een soort beeldweergave van geluidsdrukprofielen. Om de letters zichtbaar te maken, vingen ze microdeeltjes op in de holtes van de verschillende geluidsdrukprofielen. Afhankelijk van het geluidspatroon schikten de deeltjes zich in de vorm van de afzonderlijke letters.

Ook interessant: Ultrageluid helpt Alzheimerpatiënten

Word lid!

Op Innovation Origins lees je elke dag het laatste nieuws over de wereld van innovatie. Dat willen we ook zo houden, maar dat kunnen wij niet alleen! Geniet je van onze artikelen en wil je onafhankelijke journalistiek steunen? Word dan lid en lees onze verhalen gegarandeerd reclamevrij.

Over de auteur

Author profile picture Arnoud Cornelissen schrijft al jaren in onder andere diverse Nederlandse dagbladen over wetenschap en techniek.