อัลตราซาวนด์ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเครื่องมือวินิจฉัยทั้งในด้านการแพทย์และวัสดุศาสตร์ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการรักษา ตัวอย่างเช่น ในสหรัฐอเมริกา เนื้องอกของมดลูกและต่อมลูกหมากได้รับการรักษาด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง อัลตราซาวนด์ทำลายเซลล์มะเร็งโดยความร้อนจำเพาะของเนื้อเยื่อที่เป็นโรค นักวิจัยทั่วโลกกำลังใช้อัลตราซาวนด์เพื่อต่อสู้กับเนื้องอกและการเปลี่ยนแปลงทางพยาธิวิทยาอื่นๆ ในสมอง Peer Fischer หัวหน้ากลุ่มวิจัยของ Max Planck Institute for Intelligent Systems และศาสตราจารย์จาก University of Stuttgart กล่าวว่า "เพื่อหลีกเลี่ยงการทำลายเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดี โปรไฟล์ความดันเสียงจะต้องมีรูปร่างอย่างแม่นยำ การปรับแต่งสนามอัลตราซาวนด์แบบเข้มข้นให้กับเนื้อเยื่อที่เป็นโรคนั้นค่อนข้างยากกว่าในสมอง เนื่องจากหมวกกะโหลกศีรษะบิดเบือนคลื่นเสียง Spatial Ultrasound Modulator (SUM) ที่พัฒนาโดยนักวิจัยในกลุ่มของ Fischer ควรช่วยแก้ไขสถานการณ์นี้และทำให้การรักษาอัลตราซาวนด์มีประสิทธิภาพและง่ายขึ้นในกรณีอื่น ๆ ช่วยให้รูปร่างสามมิติของคลื่นอัลตราซาวนด์ที่รุนแรงมากสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยความละเอียดสูง และใช้เทคนิคน้อยกว่าที่จำเป็นในการปรับโปรไฟล์อัลตราซาวนด์ในปัจจุบัน

โปรไฟล์ความดันเสียงที่มีความเข้มสูงด้วย 10,000 พิกเซล

วิธีการทั่วไปจะแปรเปลี่ยนสนามเสียงด้วยแหล่งกำเนิดเสียงหลายแหล่ง ซึ่งคลื่นสามารถซ้อนทับและเคลื่อนเข้าหากันได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแต่ละแหล่งที่มาของเสียงไม่สามารถย่อให้เล็กลงได้ตามต้องการ ความละเอียดของโปรไฟล์ความดันเสียงเหล่านี้จึงจำกัดไว้ที่ 1,000 พิกเซล เครื่องส่งสัญญาณเสียงมีขนาดเล็กมากจนแรงดันเสียงเพียงพอสำหรับวัตถุประสงค์ในการวินิจฉัยแต่ไม่ใช่เพื่อการรักษา ด้วยเทคโนโลยีใหม่นี้ นักวิจัยได้สร้างคลื่นอัลตราโซนิกขึ้นก่อนแล้วจึงปรับโปรไฟล์ความดันเสียงอย่างอิสระ โดยฆ่านกสองตัวด้วยหินก้อนเดียว "ด้วยวิธีนี้ เราสามารถใช้ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้" Kai Melde เพื่อนร่วมงานหลังปริญญาเอกซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทีมที่พัฒนา SUM อธิบาย "ต้องขอบคุณชิปที่มี 10,000 พิกเซลที่ปรับคลื่นอัลตราโซนิก

"เพื่อปรับโปรไฟล์ความดันเสียง เราใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางเสียงที่แตกต่างกันของน้ำและอากาศ" Zhichao Ma นักศึกษาปริญญาเอกในกลุ่มของ Fischer ซึ่งเป็นผู้มีส่วนสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยี SUM ใหม่กล่าว "ในขณะที่ คลื่นอัลตราโซนิกไหลผ่านของเหลวโดยไม่ถูกกีดขวาง ฟองอากาศจะสะท้อนออกมาอย่างสมบูรณ์" ทีมวิจัยจากสตุตการ์ตจึงสร้างชิปขนาดเท่าภาพขนาดย่อซึ่งสามารถผลิตฟองไฮโดรเจนโดยอิเล็กโทรลิซิส (เช่น การแยกน้ำออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า) บนขั้วไฟฟ้า 10,000 ขั้วในฟิล์มน้ำบางๆ อิเล็กโทรดแต่ละเส้นมีความยาวขอบน้อยกว่าหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร และสามารถควบคุมแยกกันได้

การแสดงภาพด้วยอัลตราซาวนด์

หากคุณส่งคลื่นอัลตราโซนิกผ่านชิปด้วยทรานสดิวเซอร์ (ลำโพงขนาดเล็กชนิดหนึ่ง) คลื่นอัลตราโซนิกจะผ่านชิปโดยไม่มีการขัดขวาง แต่ทันทีที่คลื่นเสียงกระทบกับน้ำด้วยฟองไฮโดรเจน มันยังคงเดินทางผ่านของเหลวเท่านั้น เช่นเดียวกับหน้ากาก สิ่งนี้จะสร้างโปรไฟล์ความดันเสียงพร้อมช่องเจาะที่จุดที่มีฟองอากาศ เพื่อสร้างโปรไฟล์เสียงที่แตกต่างออกไป นักวิจัยได้เช็ดฟองไฮโดรเจนออกจากชิปก่อน จากนั้นจึงสร้างฟองก๊าซในรูปแบบใหม่

นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าโปรเจ็กเตอร์ใหม่สำหรับอัลตราซาวนด์ทำงานอย่างแม่นยำและแปรผันอย่างไรโดยการเขียนตัวอักษรในรูปแบบการแสดงรูปภาพของโปรไฟล์ความดันเสียง เพื่อให้มองเห็นตัวอักษรได้ พวกเขาจับอนุภาคขนาดเล็กในโปรไฟล์ความดันเสียงต่างๆ ขึ้นอยู่กับรูปแบบเสียง อนุภาคจัดเรียงตัวเองเป็นตัวอักษรแต่ละตัว

แบบจำลองออร์กานอยด์สำหรับการทดสอบยา

สำหรับภาพที่คล้ายคลึงกัน นักวิทยาศาสตร์ที่ร่วมมือกับ Peer Fischer, Kai Melde และ Zhichao Ma ได้จัดเรียงอนุภาคขนาดเล็กที่มีโปรไฟล์ความดันเสียง ซึ่งพวกเขาสร้างแบบจำลองโดยใช้เทคนิคที่แตกต่างกันเล็กน้อย พวกเขาใช้พลาสติกลายฉลุชนิดพิเศษเพื่อทำให้โปรไฟล์ความดันของคลื่นอัลตราโซนิกผิดรูป เช่น โฮโลแกรม และจัดเรียงอนุภาคขนาดเล็ก รวมทั้งเซลล์ชีวภาพในของเหลว ให้อยู่ในรูปแบบที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม โฮโลแกรมพลาสติกให้เฉพาะภาพนิ่งเท่านั้น สำหรับแต่ละรูปแบบใหม่ พวกเขาต้องทำแม่แบบพลาสติกที่แตกต่างกัน ด้วยการใช้เครื่องฉายอัลตราซาวนด์ ทีม Stuttgart สามารถสร้างโปรไฟล์เสียงใหม่ได้ในเวลาประมาณ 10 วินาที "ด้วยชิปอื่นๆ เราสามารถเพิ่มอัตราเฟรมได้อย่างมาก" Kai Melde ผู้นำทีมพัฒนาโฮโลแกรมกล่าว

เทคนิคนี้ไม่เพียงแต่นำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวินิจฉัยและการรักษาเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ในห้องปฏิบัติการทางชีวการแพทย์ได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น การจัดเรียงเซลล์ให้เป็นแบบจำลองออร์แกนอยด์ ฟิสเชอร์กล่าวว่า "สารอินทรีย์ดังกล่าวช่วยให้สามารถทดสอบส่วนผสมทางเภสัชกรรมที่เป็นประโยชน์ได้ และอย่างน้อยก็สามารถแทนที่การทดลองในสัตว์ได้บางส่วน" ฟิสเชอร์กล่าวบาคาร่า สมัครบาคาร่า