Lorsque les premiers jets supersoniques à usage commercial ont été créés en 1960, les chercheurs ont observé un curieux phénomène. Lorsque les avions volaient à grande vitesse, les gouttes de pluie arrivaient à fissurer le pare-brise. Ce phénomène, appelé onde de surface ou onde de Rayleigh, se produit lorsque l’eau frappe à grande vitesse une surface dure à un point précis. Au contact de la surface, l’eau s’étale de manière sphérique. Lorsque d’autres gouttes d’eau frappent le même point, elles finissent par créer une fissure qui s’amplifie à chaque nouvel impact. Cette onde, qui se déplace sur deux dimensions (horizontale et verticale), est beaucoup plus puissante qu’une onde tridimensionnelle. Près de soixante ans après cette découverte, les scientifiques de l’Université de Duke, en Caroline du Nord (Etats-Unis), veulent utiliser le même procédé pour détruire les calculs rénaux.
Des ondes destructrices sur une surface dure
Dans un article publié au début du mois dans Physical Review Research, l'équipe de Pei Zhong, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l'université de Duke, et son ancien élève, Ying Zhang, ont réussi à créer l'effet d'onde de surface en plaçant un appareil de lithotripsie, conçu pour briser les calculs rénaux, avec des ondes sonores dans une cuve d'eau couverte d'une feuille de verre. En déclenchant une explosion ponctuelle qui s'est transformée en onde de choc sphérique, ils ont pu créer l'onde de surface, en fonction de l'angle sous lequel l'onde de choc frappe le verre.
L'expérience les a aidés à visualiser le stress créé par de telles ondes de surface à l'aide d'une caméra à grande vitesse et a même réussi à mesurer la vitesse des divers éléments impliqués dans l'onde de choc. Sur la base de ces mesures, ils ont commencé à valider un modèle par éléments finis construit à l'aide d'un logiciel multi-physique, appelé COMSOL, et ont pu reproduire avec succès les caractéristiques d'une série d'ondes de masse et de surface souvent observées dans de telles situations. Selon eux, cette technique peut être utilisée pour détruire les calculs rénaux chez les personnes qui ont besoin d'une chirurgie pour enlever ces caillots.
Se focaliser sur les aspérités des calculs rénaux
Les chercheurs ont découvert que l’onde de Rayleigh était principalement responsable de la plupart des dommages. Elle se propageait à une vitesse beaucoup plus rapide qu’un deuxième type d’onde, appelée onde évanescente, qui se produisait simultanément à la bordure entre la feuille de verre et l’eau. Lorsque l’onde de Rayleigh s’éloigne de l’onde évanescente, c’est à ce moment que la tension de traction est la plus élevée.
Les chercheurs ont également découvert que les fissures circulaires nécessitent une imperfection existante dans le verre pour débuter, mais qu’une fois amorcée, la fissure progresse le long d'une trajectoire circulaire.
Selon Ying Zhang, l'utilisation de ce modèle permettra d'optimiser la forme des ondes de choc et la conception du lithotripteur, afin de créer plus de tension à la surface des calculs rénaux. En exploitant plus efficacement leurs défauts présents à la surface des calculs, les médecins pourront pulvériser les calculs en fragments très fins, ce qui à terme, éliminera la nécessité d'un suivi avec toute procédure auxiliaire.