Udnyttelse af lyd til sundhed

Når en person udvikler en nyresten eller en galdesten - hårde ophobninger af mineraler og andre forbindelser skabt af kroppen - kan de opleve en masse smerte og ubehag. I mere avancerede tilfælde, disse sten kan have alvorlige helbredseffekter.

Hvis kroppen ikke er i stand til at uddrive disse sten på egen hånd, medicinsk intervention er ofte påkrævet. I mange årtier, det betød, at patienten skulle opereres for at fjerne stenene, men i 1980'erne en ny behandlingsform opstod:litotripsi.

Lithotripsi er praksis med at bryde galde- eller nyresten i små stykker i kroppen ved hjælp af chokbølger produceret af en maskine kaldet en lithotripter. Disse højintensive chokbølger transmitteres ind i maven og fokuserer på stenen, som af bølgernes energi brydes op i mindre stykker, der kan udstødes af kroppen.

Mens litotripsi har været et velkomment alternativ til kirurgi, det har sine egne ulemper. For en, lithotriptere er store og dyre. Mere bekymret for patienten, selvom, er, at proceduren er så smertefuld, at den kræver samme grad af sedation som operation.

En ny form for litotripsi, der eliminerer disse problemer, har været under udvikling med hjælp fra Tim Colonius, Caltechs Frank og Ora Lee Marble professor i maskinteknik.

Vi satte os for nylig ned med Colonius for at diskutere denne nye lithotripsi-teknologi, hvordan hans baggrund for at studere interaktioner mellem væsker og lyde har informeret hans forståelse af teknologien, og de fordele, det kan give patienterne.

Hvordan vil du beskrive dit primære forskningsområde?

Jeg studerer computational fluid dynamics. Væsker refererer til materialer, der flyder, primært væsker eller gasser; væskedynamik handler om at forudsige væskebevægelser og de kræfter, de skaber. Det kan se på humlebiflugt, vindturbine, eller blod, der flyder i dine årer.

Computational fluid dynamics refererer til at forsøge at løse ligningerne for væskebevægelse gennem computersimulering.

Dette litotripsi-projekt har en lang historie. Kan du fortælle os lidt om, hvordan det startede?

Brad Sturtevant [MS '56, Ph.D. '60] var den centrale figur fra Caltech, der arbejdede på dette projekt. Brad var professor i aeronautik, en fantastisk forsker, og en elsket skikkelse på campus, der døde i begyndelsen af ​​2000'erne. Han forskede meget i chokbølger [højenergi, højhastighedsbølger, der rejser gennem et materiale], og hans interesser spændte over alt fra vulkaner til andre naturfænomener, der involverer chokbølger.

Han blev forbundet med en videnskabsmand ved navn Andy Evan fra Indiana University. Andy samlede et stort team af forskere for at se på litotripsi, og han satte virkelig emnet på det akademiske landkort. Brad blev involveret, fordi gruppen brugte chokbølger til at bryde nyresten, men folk forstod ikke, hvordan maskinerne fungerede, hvordan chokbølgerne blev genereret, forplanter sig gennem kroppen, og interageret med nyresten.

Hvordan blev du involveret?

Ligesom mange ting hos Caltech, det var en gangsamtale. Jeg var en ung professor på det tidspunkt, og jeg prøvede at opbygge beregningsværktøjer til kavitation, dannelsen af ​​bobler i en væske.

Mange mennesker på vores hold troede, at kavitation er en vigtig mekanisme for, hvordan nyresten pulveriseres af chokbølger. Ironisk, Brad var skeptisk over for dette, men han erkendte, at hypotesen skulle undersøges, så han spurgte, om jeg ville være med.

Hvordan informerer din baggrund dit arbejde om dette?

Et par områder, jeg tidligere havde arbejdet i, var aeroakustik, som er studiet af, hvordan strømme producerer lyd, og boblende flyder. Når bobler svinger, de er meget effektive til at producere lyd. Så, når du går til stranden og du hører en bølge bryde og du hører alt det klingende, det er bobler, der producerer lyd.

Dette projekt var interessant, fordi det bragte disse to områder – bobler og akustik – sammen. Det var ikke svært for Brad at overbevise mig om at arbejde på dette – det er teknisk interessant og har et enormt potentiale til gavn for folk.

Hvordan adskiller dette arbejde sig fra traditionel litotripsi?

Det nye her, som vi kalder burst-wave lithotripsi, er brugen af ​​fokuseret ultralyd frem for chokbølger. Vi kan tænke på traditionel litotripsi som en række eksplosioner, og hver eksplosion kommer til at sprænge en nyresten et skud ad gangen.

Jeg tror, ​​da den slags litotripsi blev udviklet, der var en masse forpasset mulighed for at indstille frekvensen til at give genlyd med stenene. Det, vi gør i stedet, er fokuseret ultralyd med høj intensitet. Du har en række ultralydselementer, der hver kan affyre uafhængigt, så du har stor fleksibilitet til at designe bølger. Når du laver chokbølger på traditionel vis, der er meget mindre mulighed for at skræddersy chokbølgen til forskellige forhold, til forskellige slags sten af ​​forskellige former og forskellige materialer.

Hvilke fordele har burst-wave litotripsi sammenlignet med traditionel litotripsi?

Der er en hel række af dem, hvilket jeg synes gør det rigtig spændende. Fordi bølgernes amplitude er lavere, der er mindre fare for sideskader på nærliggende væv, så proceduren er meget mindre smertefuld. Så, det er forudset, at du ikke har brug for bedøvelse.

Der er også det faktum, at denne enhed er meget billigere at lave end en fuld shockwave lithotripter. En urolog havde råd til at købe dette til deres kontor, der henviser til, at en traditionel lithotripter kan koste mange hundrede tusinde dollars; disse instrumenter findes ofte på hospitaler eller specialiserede klinikker. Dette kunne have en meget lavere adgangsbarriere.

Hvad er det næste for arbejdet?

Vi er netop nu på det punkt, hvor vi har en rigtig god simuleringsmodel, som vi kan bruge til at optimere teknologien. Vi er ved at finde optimale bølgeformer, der bygger resonanser, der maksimerer mængden af ​​belastningsenergi, vi kan inducere i stenen. Det ligner, hvordan en operasanger kan knuse et vinglas ved at synge i den rigtige tonehøjde. Vi er også begyndt at bygge feedback ind i disse enheder, så de kan være mere autonome og tilpasse sig i stedet for, at lægen skal stole på deres egen intuition.

Der er et lille firma kaldet SonoMotion, som er en spinoff fra University of Washington-teamet, der bygger disse enheder og laver kliniske forsøg med snesevis af patienter. Resultaterne ser lovende ud indtil videre.

Hvordan er det at arbejde med noget, der så direkte kan forbedre folks liv og helbred?

Det er ydmygende. Jeg kan ikke forbinde den videnskab, jeg laver, direkte til patienter, men jeg arbejder med folk, der gør. Jeg er bare overrasket over, hvordan læger og videnskabsmænd i sundhedsverdenen tager grundlæggende videnskab og anvender den til at hjælpe mennesker.