När en person utvecklar en njursten eller en gallsten - hårda ansamlingar av mineraler och andra föreningar som skapas av kroppen - kan de uppleva mycket smärta och obehag. I mer avancerade fall, dessa stenar kan ha allvarliga hälsoeffekter.

Om kroppen inte kan driva ut dessa stenar på egen hand, medicinsk intervention krävs ofta. I många decennier, det innebar att patienten skulle behöva opereras för att ta bort stenarna, men på 1980-talet en ny behandlingsform uppstod:litotripsi.

Litotripsi är metoden att bryta gall- eller njursten i små bitar i kroppen med hjälp av stötvågor som produceras av en maskin som kallas litotripter. Dessa högintensiva stötvågor överförs till buken och fokuserar på stenen, som bryts upp av vågornas energi till mindre bitar som kan drivas ut av kroppen.

Även om litotripsi har varit ett välkommet alternativ till operation, det har sina egna nackdelar. För en, litotriptrar är stora och dyra. Mer om patienten, fastän, är att ingreppet är så smärtsamt att det kräver samma grad av sedering som operation.

En ny form av litotripsi som eliminerar dessa problem har varit under utveckling med hjälp av Tim Colonius, Caltechs Frank och Ora Lee Marble professor i maskinteknik.

Vi satte oss nyligen ner med Colonius för att diskutera denna nya litotripsiteknologi, hur hans bakgrund som studerar interaktioner mellan vätskor och ljud har informerat hans förståelse av tekniken, och de fördelar det kan erbjuda patienterna.

Hur skulle du beskriva ditt primära forskningsområde?

Jag studerar beräkningsvätskedynamik. Vätskor avser material som flödar, främst vätskor eller gaser; vätskedynamik handlar om att förutsäga vätskerörelser och de krafter de skapar. Det kan se ut på humlans flygning, vindturbiner, eller blod som rinner i dina ådror.

Computational fluid dynamics syftar på att försöka lösa ekvationerna för fluidrörelse genom datorsimulering.

Detta litotripsiprojekt har en lång historia. Kan du berätta lite om hur det började?

Brad Sturtevant [MS '56, Ph.D. '60] var den centrala figuren från Caltech som arbetade med detta projekt. Brad var professor i flygteknik, en fantastisk forskare, och en älskad figur på campus som gick bort i början av 2000-talet. Han gjorde mycket forskning om chockvågor [högenergi, höghastighetsvågor som färdas genom ett material], och hans intressen sträckte sig över allt från vulkaner till andra naturfenomen som involverar chockvågor.

Han blev ansluten till en vetenskapsman vid namn Andy Evan från Indiana University. Andy samlade ett stort team av forskare för att titta på litotripsi, och han satte verkligen ämnet på den akademiska kartan. Brad blev involverad för att gruppen använde chockvågor för att bryta upp njursten, men folk förstod inte hur maskinerna fungerade, hur chockvågorna genererades, fortplantas genom kroppen, och interagerade med njursten.

Hur blev du involverad?

Som många saker på Caltech, det var ett korridorsamtal. Jag var en ung professor vid den tiden, och jag försökte bygga upp beräkningsverktyg för kavitation, bildandet av bubblor i en vätska.

Många i vårt team trodde att kavitation är en viktig mekanism för hur njursten pulveriseras av stötvågor. Ironiskt, Brad var skeptisk till detta, men han insåg att hypotesen borde undersökas, så han frågade om jag ville vara med.

Hur påverkar din bakgrund ditt arbete med detta?

Ett par områden jag arbetat inom tidigare var aeroakustik, som är studien av hur flöden producerar ljud, och bubbliga flöden. När bubblor svänger, de är mycket effektiva på att producera ljud. Så, när du går till stranden och du hör en våg bryta och du hör allt klingande, det är bubblor som producerar ljud.

Det här projektet var intressant eftersom det förde dessa två områden – bubblor och akustik – samman. Det var inte svårt för Brad att övertyga mig om att arbeta med det här – det är tekniskt intressant och har en enorm potential att gynna människor.

Hur skiljer sig detta arbete från traditionell litotripsi?

Det nya här, som vi kallar burst-wave litotripsy, är användningen av fokuserat ultraljud snarare än stötvågor. Vi kan tänka på traditionell litotripsi som en serie explosioner, och varje explosion kommer att spränga isär en njursten ett skott i taget.

Jag tror att när den typen av litotripsi utvecklades, det fanns många missade tillfällen att ställa in frekvensen för att resonera med stenarna. Det vi gör istället är högintensivt fokuserat ultraljud. Du har en rad ultraljudselement som var och en kan avfyra oberoende, så du har mycket flexibilitet att designa vågor. När du gör chockvågor på traditionellt sätt, det finns mycket mindre möjligheter att skräddarsy stötvågen till olika förhållanden, till olika sorters stenar av olika former och olika material.

Vilka fördelar har burst-wave litotripsi jämfört med traditionell litotripsi?

Det finns en hel svit av dem, vilket jag tycker gör det riktigt spännande. Eftersom vågornas amplitud är lägre, det finns mindre risk för sidoskador på närliggande vävnad, så proceduren är mycket mindre smärtsam. Så, det är tänkt att du inte skulle behöva bedövning.

Det finns också det faktum att den här enheten är mycket billigare att göra än en full shockwave litotripter. En urolog hade råd att köpa detta till sitt kontor, En traditionell litotripter kan kosta många hundratusentals dollar. dessa instrument finns ofta på sjukhus eller specialiserade kliniker. Detta kan ha en mycket lägre inträdesbarriär.

Vad är nästa för arbetet?

Vi har just nu kommit till en punkt där vi har en riktigt bra simuleringsmodell som vi kan använda för att optimera tekniken. Vi hittar optimala vågformer som bygger resonanser som maximerar mängden töjningsenergi vi kan inducera i stenen. Det liknar hur en operasångare kan krossa ett vinglas genom att sjunga på rätt tonhöjd. Vi börjar också bygga in feedback i dessa enheter så att de kan vara mer autonoma och anpassa sig istället för att läkaren måste lita på sin egen intuition.

Det finns ett litet företag som heter SonoMotion som är en spinoff från University of Washington-teamet som bygger dessa enheter och gör kliniska prövningar med dussintals patienter. Resultaten ser lovande ut så här långt.

Hur är det att arbeta med något som så direkt kan förbättra människors liv och hälsa?

Det är ödmjukande. Jag kan inte koppla vetenskapen jag gör direkt till patienter, men jag jobbar med människor som gör det. Jag är bara förvånad över hur läkare och forskare i hälsovärlden tar grundläggande vetenskap och tillämpar den för att hjälpa människor.