Eine neue praktische Methode zur Erzeugung von Airy-Strahlen könnte den Ultraschall verbessern

Forscher der Washington University in St. Louis haben kürzlich eine Technik zur Erzeugung von Ultraschallwellen erfunden, die sich selbst biegen können, wie der Regenbogen.

Luftstrahlen sind eine Klasse von akustischen Wellen, die sich auf einer gekrümmten, bogenartigen Bahn bewegen und sich automatisch um Hindernisse herum fokussieren können, die sich direkt im Strahlengang befinden, wodurch sie sich gut für Ultraschallanwendungen in der biomedizinischen Bildgebung, Therapie und zerstörungsfrei eignen Testen und Partikelmanipulation.

Die Erzeugung von Airy-Strahlen in Wasser erfordert jedoch große, teure Geräte, was ihre breiten Anwendungen im Ultraschall begrenzt hat.

Hong Chen, außerordentliche Professorin für Biomedizintechnik an der McKelvey School of Engineering und für Radioonkologie an der WashU School of Medicine, und Mitglieder ihres Ultraschalllabors entwarfen und druckten in 3D ein flexibles und vielseitiges Werkzeug namens Airy Beam-enabled Binary Acoustic Metasurfaces ( AB-BAMs) zur Ultraschallstrahlmanipulation. Anschließend demonstrierten sie die Leistungsfähigkeit von AB-BAM in Wasser. Sie berichteten ihre Ergebnisse am 22. Juli in Körperliche Überprüfung angewendet.

Laut Zhongtao Hu, einem Postdoktoranden und Erstautor der Arbeit, ist ihr Team das erste, das die 3D-gedruckten AB-BAMs entwickelt hat, um erfolgreich Airy-Strahlen für die Ultraschallfokussierung zu erzeugen.

„Luftstrahlen sind einzigartig, weil wir die Größe des Fokusbereichs einstellen können“, sagte er. „Diese 3D-gedruckten AB-BAMs können in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich ultraschallvermittelter Tumorablation oder Arzneimittelabgabe.“

Ihre 3D-gedruckten AB-BAMs ermöglichen eine flexible und vielseitige Manipulation des Ultraschallstrahls, einschließlich eines scharf fokussierten, abstimmbaren, lenkbaren Strahls, der für verschiedene Ultraschallanwendungen nützlich ist.

Zum Beispiel erfordert die Therapie mit hochintensivem fokussiertem Ultraschall (HIFU) einen kurzen Strahl, der an einem einzigen Punkt intensive Hitze erzeugen kann, um einen Krebstumor zu zerstören, ohne benachbartes gesundes Gewebe zu beschädigen. Andererseits erfordert die normale Ultraschallbildgebung, die zur Diagnose von Krankheiten verwendet wird, einen Strahl mit schmalen seitlichen Fokusabmessungen, um die Auflösung zu verbessern.

Neben Chen und Hu gehören zu den weiteren Mitgliedern des Forschungsteams die WashU-Absolventen Yaoheng Yang und Lu Xu sowie Yun Jing, ein Fakultätsmitglied des Akustik-Graduiertenprogramms an der Penn State University.