Badania numeryczne przepływu akustycznego i naprężeń ścinających indukowanych ultradźwiękami do manipulacji skrzepem krwi

Dlaczego ważne jest rozbijanie skrzepów bez leków

Skrzepy krwi w żyłach i naczyniach mózgowych mogą blokować krążenie i powodować udar, zawał serca lub niebezpieczne zatory płucne. Obecne główne metody leczenia opierają się na lekach rozrzedzających krew lub rozpuszczających skrzepy, które mogą ratować życie, ale zwiększają też ryzyko poważnych krwawień i nie są odpowiednie dla wszystkich pacjentów. Niniejsze badanie analizuje alternatywę bezlekową i nieinwazyjną: wykorzystanie precyzyjnie dobranych ultradźwięków do wzburzenia płynu wokół skrzepu na tyle silnie, że skrzep zaczyna się sam rozpadać.

Wykorzystanie dźwięku do oddziaływania na ukrytą przeszkodę

Naukowcy skupili się na subtelnym zjawisku zwanym przepływem akustycznym. Gdy wiązka ultradźwięków przechodzi przez płyn, nie tylko rozchodzi się fala; może też wywołać powolny, stały przepływ, podobny do delikatnego podwodnego wiatru. W pobliżu przeszkody, takiej jak skrzep, ten przepływ może tworzyć wiry, które wciągają powierzchnię skrzepu i generują siłę boczną znaną jako naprężenie ścinające. Jeśli to naprężenie przekroczy wytrzymałość mechaniczną skrzepu, włókna wewnętrzne mogą ulec przerwaniu i masa zaczyna fragmentować. Zamiast stosować leki osłabiające skrzep, zespół zastanawiał się, czy sam przepływ akustyczny, generowany przy realistycznych nastawach ultradźwięków, może osiągnąć takie poziomy naprężenia.

Budowa cyfrowego naczynia krwionośnego

Aby odpowiedzieć na to pytanie, autorzy zbudowali szczegółowy model komputerowy naczynia krwionośnego ze skrzepem w środku, używając oprogramowania symulacyjnego COMSOL Multiphysics. Naczynie przedstawiono jako dwuwymiarową rurę, a skrzep jako eliptyczny obszar o gruboskórnym, lepkim zachowaniu przypominającym płyn. Źródło ultradźwięków, modelowane jako prosty przetwornik umieszczony nad skrzepem, emitowało ciągłe fale dźwiękowe do naczynia. Poprzez sprzężenie dwóch zestawów równań — opisujących zarówno rozchodzenie się fal dźwiękowych, jak i przepływ płynów — obliczyli, jak pole ultradźwiękowe generuje przepływ wokół skrzepu i jakie naprężenia ścinające pojawiają się na jego powierzchni w różnych warunkach.

Znajdowanie odpowiednich parametrów dźwięku

Zespół systematycznie zmieniał trzy kluczowe czynniki: położenie skrzepu względem przetwornika, częstotliwość ultradźwięków oraz natężenie (ciśnienie) fal dźwiękowych. Stwierdzili, że przepływ i naprężenia ścinające zmieniały się w złożony, nieliniowy sposób w miarę przesuwania skrzepu wzdłuż naczynia, co było charakterystyczne dla wzorców fal stojących tworzonych przez fale padające i odbite. W pewnych położeniach po obu stronach skrzepu tworzyły się silne wiry generujące intensywne naprężenia; w innych przepływ był znacznie słabszy. Również częstotliwość miała znaczenie. Bardzo niskie częstotliwości dobrze penetrowały, lecz wiązały się z ryzykiem niepożądanej aktywności pęcherzykowej, natomiast bardzo wysokie częstotliwości były szybko absorbowane i zamieniały się głównie w ciepło. W okolicach 2 MHz model przewidywał optymalny zakres, w którym przepływ akustyczny pozostawał silny bez nadmiernej absorpcji, co czyniło tę częstotliwość szczególnie atrakcyjną terapeutycznie.

Jak mocno dźwięk musi działać

Poprzez stopniowe zwiększanie ciśnienia akustycznego badacze pokazali, że naprężenie ścinające na powierzchni skrzepu rosło stopniowo, a następnie zaczynało się stabilizować, gdy lepka oporność płynu równoważyła siłę napędową. W warunkach zoptymalizowanych — około 2 MHz i 2 MPa ciśnienia akustycznego przy korzystnym położeniu skrzepu — obliczone naprężenie ścinające osiągnęło szczyt około 10,9 paskala, czyli ponad dwukrotność oszacowanego progu 4,1 paskala potrzebnego do rozpoczęcia rozrywania wewnętrznej sieci skrzepu. Model zbadał też bardziej realistyczny scenariusz z grubszą ścianą naczynia, jak może mieć to miejsce w chorobie. W takim przypadku więcej dźwięku tracono przed dotarciem do skrzepu i początkowe naprężenie spadło do około 2,7 paskala. Umiarkowane zwiększenie ciśnienia mogło podnieść je do około 3,0 paskala, lecz wciąż poniżej progu rozpadu, co podkreśla, jak tkanki między skórą a naczyniem mogą tłumić efekt.

Następne kroki w kierunku bezpieczniejszego leczenia skrzepów

Ogólnie rzecz biorąc symulacje sugerują, że sterowany ultradźwiękami przepływ akustyczny może zasadniczo wygenerować wystarczające naprężenia mechaniczne do fragmentacji skrzepów bez stosowania leków rozpuszczających, pod warunkiem że ustawienia dźwięku i geometria są korzystne. Jednocześnie praca uwypukla istotne zastrzeżenia: obecny model używa uproszczonych struktur naczynia i skrzepu, zakłada brak tła przepływu krwi i nawet umieszcza przetwornik wewnątrz naczynia zamiast na skórze. Autorzy argumentują, że potrzebne są bardziej realistyczne modele trójwymiarowe, ściśliwe ściany naczyń, poruszająca się krew oraz testy eksperymentalne. Mimo to ich wyniki wyznaczają obiecujące zakresy częstotliwości, ciśnień i pozycjonowania oraz wskazują na przepływ akustyczny jako potencjalny element budulcowy przyszłych, bezpieczniejszych terapii ultradźwiękowych skrzepów.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: terapia skrzeplin ultradźwiękami, przepływ akustyczny, skrzeplina krwi, naprężenie ścinające, modelowanie obliczeniowe