Numerische Untersuchung von ultraschallinduziertem akustischem Streaming und Schubspannung zur Manipulation von Blutgerinnseln

Warum das Zerbrechen von Gerinnseln ohne Medikamente wichtig ist

Blutgerinnsel in Venen und Hirngefäßen können den Blutfluss blockieren und Schlaganfall, Herzinfarkt oder gefährliche Lungenembolien verursachen. Die heutigen Standardbehandlungen beruhen meist auf blutverdünnenden oder gerinnselauflösenden Medikamenten, die zwar Leben retten können, aber das Risiko schwerer Blutungen erhöhen und nicht für alle Patienten geeignet sind. Diese Studie untersucht eine medikamentenfreie, nicht-invasive Alternative: gezielt abgestimmten Ultraschall einzusetzen, um die Flüssigkeit um ein Gerinnsel so stark in Bewegung zu versetzen, dass das Gerinnsel von selbst zu zerfallen beginnt.

Schall nutzen, um auf eine verborgene Blockade zu drücken

Die Forschenden konzentrierten sich auf einen subtilen Effekt, das akustische Streaming. Wenn ein Ultraschallstrahl durch eine Flüssigkeit läuft, sendet er nicht nur Wellen aus; er kann auch eine langsame, beständige Strömung erzeugen, vergleichbar mit einer sanften Unterwasserströmung. In der Nähe einer Verengung wie einem Blutgerinnsel kann diese Strömung in kleine Wirbel ausarten, die an der Oberfläche des Gerinnsels ziehen und eine seitliche Zugkraft erzeugen, die als Scherbeanspruchung bezeichnet wird. Überschreitet diese Beanspruchung die mechanische Festigkeit des Gerinnsels, können seine inneren Fasern reißen und die Masse beginnt zu fragmentieren. Anstatt dem Gerinnsel Medikamente zuzuführen, untersuchten die Autoren, ob reines Streaming, erzeugt durch realistische Ultraschalleinstellungen, diese Scherspannungen erreichen kann.

Aufbau eines digitalen Blutgefäßes

Um dies zu beantworten, erstellten die Autorinnen und Autoren ein detailliertes Computermodell eines Blutgefäßes mit einem eingebetteten Gerinnsel unter Verwendung der Simulationssoftware COMSOL Multiphysics. Sie stellten das Gefäß als zweidimensionalen Kanal dar und modellierten das Gerinnsel als elliptische Region mit dickflüssigem, viskosem Verhalten. Eine Ultraschallquelle, modelliert als gerade Wandler oberhalb des Gerinnsels, emittierte kontinuierliche Schallwellen in das Gefäß. Durch die Kopplung zweier Gleichungssysteme — eines, das beschreibt, wie Schallwellen sich ausbreiten, und eines, das die Strömung der Flüssigkeit beschreibt — berechneten sie, wie das Ultraschallfeld Streaming um das Gerinnsel erzeugt und wie groß die Scherbeanspruchung an seiner Oberfläche unter verschiedenen Bedingungen ist.

Die richtigen Schalleinstellungen finden

Das Team variierte systematisch drei Schlüsselfaktoren: die Position des Gerinnsels relativ zum Wandler, die Frequenz des Ultraschalls und die Stärke (Druck) der Schallwellen. Sie fanden heraus, dass Streaming und Scherbeanspruchung in komplexer, nichtlinearer Weise variierten, wenn sich das Gerinnsel im Gefäß verschob — ein Kennzeichen für stehende Wellenmuster, die durch einfallenden und reflektierten Schall entstehen. An bestimmten Positionen bildeten sich starke Wirbel auf beiden Seiten des Gerinnsels und erzeugten intensive Spannungen; an anderen war die Strömung deutlich schwächer. Auch die Frequenz spielte eine Rolle. Sehr niedrige Frequenzen drangen gut ein, bergen jedoch das Risiko unerwünschter Nebeneffekte wie unkontrollierter Blasenaktivität, während sehr hohe Frequenzen schnell absorbiert wurden und überwiegend in Wärme umgewandelt wurden. Um etwa 2 MHz prognostizierte das Modell einen Sweet Spot, in dem das Streaming stark blieb, ohne übermäßige Absorption, was diese Frequenz besonders attraktiv für therapeutische Anwendungen macht.

Wie stark der Schall drücken muss

Durch schrittweises Erhöhen des akustischen Drucks zeigten die Forschenden, dass die Scherbeanspruchung an der Gerinnseloberfläche zunächst stetig anstieg und dann zu einem Plateau tendierte, als die viskose Widerstandskraft der Flüssigkeit die treibende Kraft ausglich. Unter optimierten Bedingungen — etwa 2 MHz und 2 MPa akustischer Druck mit günstig positioniertem Gerinnsel — erreichte die berechnete Scherbeanspruchung ein Maximum von ungefähr 10,9 Pascal, mehr als das Doppelte der geschätzten Schwelle von 4,1 Pascal, die erforderlich ist, um das interne Netzwerk des Gerinnsels zu schädigen. Das Modell untersuchte auch ein realistischeres Szenario mit einer dickeren Gefäßwand, wie es bei Erkrankungen vorkommen kann. In diesem Fall ging mehr Schall verloren, bevor er das Gerinnsel erreichte, und die anfängliche Scherbeanspruchung fiel auf etwa 2,7 Pascal. Eine moderate Erhöhung des Drucks könnte sie auf etwa 3,0 Pascal anheben, blieb aber unterhalb der Zerfallsgrenze, was verdeutlicht, wie Gewebe zwischen Haut und Gefäß die Wirkung abschwächen können.

Nächste Schritte zu einer sichereren Gerinnselbehandlung

Insgesamt deuten die Simulationen darauf hin, dass ultraschallgetriebenes Streaming prinzipiell genügend mechanische Beanspruchung erzeugen kann, um Gerinnsel ohne gerinnselauflösende Medikamente zu fragmentieren, sofern Schalleinstellungen und Geometrie günstig sind. Zugleich weist die Arbeit auf wichtige Vorbehalte hin: Das aktuelle Modell verwendet vereinfachte Gefäß- und Gerinnselstrukturen, geht von keinem Hintergrundblutfluss aus und positioniert den Wandler teilweise innerhalb des Gefäßes statt auf der Haut. Die Autoren argumentieren, dass realistischere dreidimensionale Modelle, verformbare Gefäßwände, strömendes Blut und experimentelle Tests notwendig sind. Dennoch kartieren ihre Ergebnisse vielversprechende Bereiche von Frequenz, Druck und Positionierung und weisen auf akustisches Streaming als potenziellen Baustein für zukünftige, sicherere, ultraschallbasierte Gerinnseltherapien hin.

Zitation: Hisham, A., Hassan, M.A. & Wahba, A.A. Numerical investigation of ultrasound-induced acoustic streaming and shear stress for blood clot manipulation. Sci Rep 16, 12891 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44521-5

Schlüsselwörter: Ultraschall-Thrombolyse, akustisches Streaming, Blutthrombus, Scherbeanspruchung, computergestützte Modellierung