Robert Klatt
Ein neues mathematisches Modell kann das Verhalten von Ultraschallwellen prognostizieren. Die Methode bildet damit die Basis für Ultraschallbilder mit einer deutlich höheren Auflösung.
Tsukuba (Japan). Ultraschalltechnologie ist ein essenzielles Diagnosewerkzeug der moderne Medizin. Das nichtinvasive Verfahren, das laut einer Studie der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin (DEGUM) auch während der Schwangerschaft ungefährlich ist, ermöglicht es Ärzte auf sichere Weise detaillierte diagnostische Bilder zu erzeugen. Die Technik basiert auf dem Aussenden von hochfrequenten Schallwellen durch einen sogenannten Schallkopf, der dann die erzeugten Echos an den Grenzen von Geweben verschiedener Dichten registriert. Abhängig von der benötigten Zeit für die Echos, um zurückzukommen, kann der Computer das Bild rekonstruieren.
Bisher ist die Auflösung von Ultraschallbildern aber noch relativ gering. Um kleinste Details erkennen zu können, müssen deshalb Kontrastmittel, wie Mikroblasen verwendet werden. Forscher der University of Tsukuba haben deshalb ein mathematische Modell entwickelt, das das Verhalten von Ultraschallwellen beim Durchqueren einer Flüssigkeiten mit eingeschlossenen Mikroblasen prognostizieren kann.
Laut der Publikation im Fachmagaizn Physics of Fluids haben die Physiker um Tetsuya Kanagawa eine nicht lineare Gleichungen abgeleitet, die die Kompressibilität der Schalenstruktur berücksichtigen und so ihre Anwendbarkeit auf mehrere Blasen erweitern. Die Wissenschaftler entschieden sich für diesen komplexen Ansatz, weil vorherige Studien die realistischen Eigenschaften der Blasenoberfläche nicht modellierten.
„Wir haben die Schale als viskoelastisches Objekt modelliert, was sich als wichtiger Faktor in der Analyse herausstellte.“
Sie konnten ein mathematisches Modell entwickeln, das das Verhalten von Ultraschallwellen beim Durchqueren einer Flüssigkeiten mit eingeschlossenen Blasen prognostizieren kann. Um die Bewegung und Interaktion der Ultraschallwellen vorhersagen zu können, ist die Berücksichtigung der Kompressibilität der Blasenhülle von entscheidender Bedeutung. Diese gibt die relativen Volumenänderung eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit als Reaktion auf einen erhöhten oder verringerten Druck an.
„Unsere Arbeit hilft, den Weg für zukünftige Verfeinerungen der Theorie der Schallabschwächung in Flüssigkeiten zu ebnen.“
Die in diesem Projekt untersuchten Mikroblasen könnten auch therapeutisch genutzt werden, etwa für den gezielten Transport von Medikamenten. In diesem Zusammenhang könnten Schallwellen dazu genutzt werden, die Blasen zu bestimmten Zeiten oder an spezifischen Orten im Körper platzen zu lassen, um das Medikament freizusetzen.
Physics of Fluids, doi: 10.1063/5.0101219
