Doorbraak in medische akoestiek

Onderzoekers van de Universiteit Twente, TU Delft en het Erasmus MC hebben een doorbraak bereikt op het gebied van medisch ultrageluid. Minuscule nanodruppels kunnen sinds kort worden geactiveerd voor diagnostiek (opsporen van tumoren) en therapie (lokale toediening van medicijnen) onder instraling van ultrageluid. De doorbraak in de medische akoestiek wordt deze week gepubliceerd in het wetenschappelijke toptijdschrift PNAS.
Nanodruppels met een kookpunt lager dan de lichaamstemperatuur raken na injectie oververhit, maar verdampen niet spontaan door een dun schilletje dat om de druppel wordt aangebracht. In het lichaam kunnen de druppels door hun kleine afmeting uit de bloedbaan treden en bijvoorbeeld in het lekke vatenstelsel van tumoren terechtkomen. Door een intense puls ultrageluid verdampen de druppels en vormen ze kleine gasbelletjes. Vervolgens worden ze met een echoapparaat efficiënt in beeld gebracht. Ook kunnen op deze manier giftige medicijnen die in de druppels worden meegevoerd in de tumor worden afgegeven. Dat geeft geen schadelijke bijwerkingen op gezond weefsel in de rest van het lichaam; een plaatselijke en gecontroleerde vorm van chemotherapie.
Hoe het ultrageluid de druppels kan verdampen, was jarenlang een groot raadsel. De benodigde drukken waren (te) hoog en het verband met de frequentie precies omgekeerd met de bestaande theorie. Op beelden die gemaakt werden met de snelste camera ter wereld, de Brandaris 128, zagen de onderzoekers dat het ultrageluid in één enkel punt in de druppel werd gefocusseerd. Vreemd genoeg is de golflengte van het uitgezonden ultrageluid vele malen groter dan de druppel en, net als bij licht, kan er dan geen lenswerking optreden.
De verklaring ligt in een uniek verschijnsel dat optreedt bij de voortplanting van ultrageluid. Geluid is een golfbeweging van hoge en lage druk dat zich met de geluidssnelheid voortbeweegt. Maar in het lichaam propageert een hoge druk sneller dan een lage druk, waardoor de golf vervormt; er vormt zich een schokgolf. Feitelijk ontstaat er een hele reeks aan boventonen van het oorspronkelijke geluid. Nu hebben die boventonen een veel kleinere golflengte, ter grootte van de druppels. Combinaties van verschillende boventonen kunnen in de druppel interfereren. Dat leidt tot een lokale focus van geluid met genoeg energie om de druppel te doen verdampen.
“Het was een hele puzzel”, zegt Michel Versluis, hoogleraar in de fysische en medische akoestiek aan de Universiteit Twente. “Fundamentele fysische theorie, experimenten op nanometerschaal en nanoseconden en geavanceerde numerieke simulaties uit Delft en Rotterdam worden gecombineerd om te komen tot een hele elegante wetenschappelijke verklaring.”
Oleksandr Shpak, promovendus bij de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), vult aan: “Door dit nieuwe inzicht kunnen we een nieuwe klasse nanodruppels ontwikkelen en nieuwe ultrageluidsbronnen bouwen waarin we slim gebruik maken van die bewuste boventonen. Op deze manier kunnen we de drukken verlagen. Dat  leidt tot een veiliger en bredere klinische toepassing van deze veelbelovende techniek.” 
De vakgroep Physics of Fluids van de UT kreeg in 2010 samen met Prof. Nico de Jong van het Erasmus MC een FOM-subsidie van 350.000 euro om te werken aan dit project over oververhitte nanodruppels. FOM honoreerde de aanvraag voor vernieuwend, risicovol fundamenteel onderzoek met een fysische vraagstelling. Hoge kwaliteit en wetenschappelijke, industriële of maatschappelijke urgentie zijn daarbij de belangrijkste criteria. Dit lopende onderzoek is sterk verweven met speerpuntonderzoek in de UT-onderzoeksinstituten MESA+ voor nanotechnologie en MIRA voor biomedische technologie en technische geneeskunde.