Численное исследование акустической течения и сдвиговых напряжений, индуцированных ультразвуком, для разрушения тромбов

Почему важно разрушать тромбы без лекарств

Кровяные сгустки в венах и сосудах мозга могут блокировать кровообращение и вызывать инсульт, инфаркт или опасные тромбы в легких. Современные основные методы лечения используют разжижение крови или препараты, растворяющие тромб, которые могут спасти жизнь, но повышают риск серьёзных кровотечений и подходят не всем пациентам. В этом исследовании изучается безмедикаментозная, неинвазивная альтернатива: применение тщательно настроенного ультразвука для создания вокруг тромба сильного перемешивания жидкости так, чтобы тромб начал разрушаться сам по себе.

Использование звука, чтобы воздействовать на скрытую преграду

Исследователи сосредоточились на тонком эффекте, называемом акустическим течением. Когда ультразвуковой пучок проходит через жидкость, он не только распространяет волны; он может приводить в движение медленное, но устойчивое течение, наподобие лёгкого подводного ветра. Вблизи препятствия, такого как тромб, это течение может завихряться в крошечные вихри, которые тянут за поверхность тромба и создают боковую силу, известную как сдвиговое напряжение. Если это напряжение превысит механическую прочность тромба, внутренние волокна разорвутся, и масса начнёт фрагментироваться. Вместо ослабления тромба с помощью лекарств команда задала вопрос: может ли само акустическое течение, создаваемое реалистичными ультразвуковыми параметрами, достигать таких уровней напряжения.

Построение цифрового сосуда

Чтобы ответить на этот вопрос, авторы создали подробную компьютерную модель кровеносного сосуда с тромбом внутри, используя программное обеспечение для моделирования COMSOL Multiphysics. Они представили сосуд в виде двумерной трубки, а тромб — в виде эллиптической области с плотным вязким поведением, похожим на жидкость. Источник ультразвука, смоделированный как прямой преобразователь над тромбом, испускал непрерывные звуковые волны в сосуд. Сопряжая два набора уравнений — одно описывало распространение звуковых волн, другое — поведение потоков жидкости — они рассчитали, как ультразвуковое поле формирует течение вокруг тромба и какое сдвиговое напряжение возникает на его поверхности при разных условиях.

Поиск правильных настроек звука

Команда систематически варьировала три ключевых фактора: положение тромба относительно преобразователя, частоту ультразвука и амплитуду (давление) звуковых волн. Они обнаружили, что течение и сдвиговое напряжение меняются сложным, нелинейным образом по мере перемещения тромба вдоль сосуда — это характерно для образования стоячих волновых рисунков в результате накладывания падающих и отражённых волн. В некоторых положениях по обеим сторонам тромба формировались сильные вихри и возникали интенсивные напряжения; в других поток был существенно слабее. Частота тоже имела значение. Очень низкие частоты проникали глубоко, но могли вызывать нежелательные побочные эффекты, такие как неконтролируемая кавитация, тогда как очень высокие быстро поглощались и в основном превращались в тепло. Около 2 МГц модель предсказывала «золотую середину», при которой течение оставалось сильным без чрезмерного поглощения, что делает эту частоту особенно привлекательной для терапии.

С какой силой звук должен воздействовать

Постепенно увеличивая акустическое давление, исследователи показали, что сдвиговое напряжение на поверхности тромба растёт устойчиво, а затем начинает выравниваться по мере того, как вязкое сопротивление жидкости уравновешивает возбуждающую силу. При оптимизированных условиях — около 2 МГц и 2 МПа акустического давления с тромбом в благоприятном положении — рассчитанное сдвиговое напряжение достигало примерно 10,9 паскаля, что более чем вдвое превышает оценённый порог в 4,1 паскаля, необходимый для начала разрушения внутренней сети тромба. Модель также рассмотрела более реалистичный сценарий с утолщённой стенкой сосуда, как это может иметь место при заболевании. В этом случае больше звука терялось до достижения тромба, и начальное сдвиговое напряжение снижалось до примерно 2,7 паскаля. Умеренное увеличение давления могло поднять его до примерно 3,0 паскаля, но всё ещё ниже порога разрушения, что подчёркивает, как ткани между кожей и сосудом могут ослаблять эффект.

Дальнейшие шаги к более безопасному лечению тромбов

В целом симуляции указывают, что ультразвуковое течение теоретически может генерировать достаточные механические напряжения для фрагментации тромбов без использования препаратов, растворяющих тромб, при условии благоприятных настроек звука и геометрии. В то же время работа подчёркивает важные оговорки: текущая модель использует упрощённые структуры сосуда и тромба, предполагает отсутствие фонового кровотока и даже располагает преобразователь внутри сосуда, а не на коже. Авторы утверждают, что необходимы более реалистичные трёхмерные модели, деформируемые стенки сосудов, движущаяся кровь и экспериментальная проверка. Тем не менее их результаты очерчивают перспективные диапазоны частоты, давления и расположения, указывая на акустическое течение как потенциальный строительный блок для будущих, более безопасных ультразвуковых методов лечения тромбов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: ультразвуковая терапия тромбов, акустическое течение, кровяной тромб, сдвиговое напряжение, компьютерное моделирование