Wanneer een persoon een niersteen of een galsteen ontwikkelt - harde ophopingen van mineralen en andere verbindingen die door het lichaam worden aangemaakt - kunnen ze veel pijn en ongemak ervaren. In meer gevorderde gevallen deze stenen kunnen ernstige gezondheidseffecten hebben.

Als het lichaam deze stenen niet zelf kan verdrijven, medisch ingrijpen is vaak nodig. Gedurende vele decennia, dat betekende dat de patiënt een operatie nodig had om de stenen te verwijderen, maar in de jaren tachtig er ontstond een nieuwe vorm van behandeling:lithotripsie.

Lithotripsie is de praktijk van het breken van gal- of nierstenen in kleine stukjes in het lichaam met behulp van schokgolven die worden geproduceerd door een machine die een lithotripter wordt genoemd. Deze schokgolven met hoge intensiteit worden doorgegeven aan de buik en gericht op de steen, die door de energie van de golven in kleinere stukken wordt gebroken die door het lichaam kunnen worden verdreven.

Hoewel lithotripsie een welkom alternatief is geweest voor chirurgie, het heeft zijn eigen nadelen. Voor een, lithotripters zijn groot en duur. Meer zorg voor de patiënt, Hoewel, is dat de procedure zo pijnlijk is dat het dezelfde mate van sedatie vereist als een operatie.

Een nieuwe vorm van lithotripsie die deze problemen elimineert is in ontwikkeling met de hulp van Tim Colonius, Caltech's Frank en Ora Lee Marble hoogleraar werktuigbouwkunde.

We hebben onlangs met Colonius om tafel gezeten om deze nieuwe technologie voor lithotripsie te bespreken, hoe zijn achtergrond bij het bestuderen van de interacties tussen vloeistoffen en geluiden zijn begrip van de technologie heeft geïnformeerd, en de voordelen die het kan bieden aan patiënten.

Hoe zou u uw primaire onderzoeksgebied omschrijven?

Ik studeer computationele vloeistofdynamica. Vloeistoffen verwijzen naar materialen die stromen, voornamelijk vloeistoffen of gassen; vloeistofdynamica houdt zich bezig met het voorspellen van vloeistofbewegingen en de krachten die ze creëren. Het zou kunnen kijken naar hommelvlucht, windturbines, of bloed dat door uw aderen stroomt.

Computationele vloeistofdynamica verwijst naar het proberen om de vergelijkingen voor vloeistofbeweging op te lossen door middel van computersimulatie.

Dit lithotripsieproject kent een lange geschiedenis. Kun je ons iets vertellen over hoe het begon?

Brad Sturtevant [MS '56, doctoraat '60] was de centrale figuur van Caltech die aan dit project werkte. Brad was een professor in de luchtvaart, een geweldige onderzoeker, en een geliefde figuur op de campus die begin jaren 2000 overleed. Hij deed veel onderzoek naar schokgolven [high-energy, hogesnelheidsgolven die door een materiaal gaan], en zijn interesses omvatten alles, van vulkanen tot andere natuurlijke fenomenen die schokgolven met zich meebrengen.

Hij kreeg contact met een wetenschapper genaamd Andy Evan van de Indiana University. Andy verzamelde een enorm team van onderzoekers om naar lithotripsie te kijken, en hij zette het onderwerp echt op de academische kaart. Brad raakte erbij betrokken omdat de groep schokgolven gebruikte om nierstenen te breken, maar mensen begrepen niet hoe de machines werkten, hoe de schokgolven werden gegenereerd, verspreid door het lichaam, en interactie met nierstenen.

Hoe ben je erbij betrokken geraakt?

Zoals veel dingen bij Caltech, het was een ganggesprek. Ik was toen een jonge professor, en ik probeerde rekentools voor cavitatie op te bouwen, de vorming van bellen in een vloeistof.

Veel mensen in ons team dachten dat cavitatie een belangrijk mechanisme is voor de manier waarop nierstenen door schokgolven worden verpulverd. Ironisch, Brad was hier sceptisch over, maar hij erkende dat de hypothese onderzocht moest worden, dus vroeg hij of ik mee wilde doen.

Hoe informeert uw achtergrond uw werk hierover?

Een aantal gebieden waarin ik eerder had gewerkt, waren aero-akoestiek, dat is de studie van hoe stromen geluid produceren, en bubbels stromen. Wanneer bellen oscilleren, ze zijn zeer efficiënt in het produceren van geluid. Dus, als je naar het strand gaat en je hoort een golf breken en je hoort al dat gerinkel, dat zijn bubbels die geluid produceren.

Dit project was interessant omdat het deze twee gebieden - bubbels en akoestiek - bij elkaar bracht. Het was niet moeilijk voor Brad om me te overtuigen om hieraan te werken - het is technisch interessant en heeft een enorm potentieel om mensen te helpen.

Waarin verschilt dit werk van traditionele lithotripsie?

Het nieuwe hier, die we burst-wave lithotripsie noemen, is het gebruik van gerichte echografie in plaats van schokgolven. We kunnen traditionele lithotripsie zien als een reeks explosies, en elke explosie zal een niersteen stuk voor stuk doen ontploffen.

Ik denk dat toen dat soort lithotripsie werd ontwikkeld, er was veel gemiste kans om de frequentie af te stemmen om te resoneren met de stenen. Wat we in plaats daarvan doen, is gefocusseerde echografie met hoge intensiteit. Je hebt een reeks ultrasone elementen die elk afzonderlijk kunnen vuren, dus je hebt veel flexibiliteit om golven te ontwerpen. Als je op de traditionele manier schokgolven maakt, er is veel minder kans om de schokgolf aan verschillende omstandigheden aan te passen, aan verschillende soorten stenen van verschillende vormen en verschillende materialen.

Welke voordelen heeft burst-wave lithotripsie in vergelijking met traditionele lithotripsie?

Er is een hele suite van, wat het volgens mij echt spannend maakt. Omdat de amplitude van de golven kleiner is, er is minder gevaar voor nevenschade aan nabijgelegen weefsel, dus de procedure is veel minder pijnlijk. Dus, het is de bedoeling dat u geen verdoving nodig heeft.

Er is ook het feit dat dit apparaat een stuk goedkoper is om te maken dan een full shockwave lithotripter. Een uroloog kan het zich veroorloven om dit voor hun kantoor te kopen, overwegende dat een traditionele lithotripter vele honderdduizenden dollars kan kosten; deze instrumenten zijn vaak te vinden in ziekenhuizen of gespecialiseerde klinieken. Dit zou een veel lagere toetredingsdrempel kunnen hebben.

Wat is de volgende stap voor het werk?

We zijn nu op het punt dat we een heel goed simulatiemodel hebben waarmee we de technologie kunnen optimaliseren. We vinden optimale golfvormen die resonanties opbouwen die de hoeveelheid spanningsenergie maximaliseren die we in de steen kunnen induceren. Het is vergelijkbaar met hoe een operazanger een wijnglas kan verbrijzelen door op de juiste toonhoogte te zingen. We beginnen ook feedback in deze apparaten in te bouwen, zodat ze meer autonoom kunnen zijn en zichzelf kunnen aanpassen in plaats van dat de arts op zijn eigen intuïtie moet vertrouwen.

Er is een klein bedrijf genaamd SonoMotion, een spin-off van het team van de Universiteit van Washington dat deze apparaten bouwt en klinische proeven doet met tientallen patiënten. De resultaten zien er tot nu toe veelbelovend uit.

Hoe is het om te werken aan iets dat het leven en de gezondheid van mensen zo direct kan verbeteren?

Het is vernederend. Ik kan de wetenschap die ik doe niet rechtstreeks verbinden met patiënten, maar ik werk met mensen die dat wel doen. Ik sta er versteld van hoe artsen en wetenschappers in de gezondheidswereld basiswetenschap gebruiken en toepassen om mensen te helpen.