Cuando una persona desarrolla un cálculo renal o biliar (acumulaciones duras de minerales y otros compuestos creados por el cuerpo), puede experimentar mucho dolor e incomodidad. En casos más avanzados, estas piedras pueden tener efectos graves sobre la salud.

Si el cuerpo no puede expulsar estas piedras por sí solo, A menudo se requiere intervención médica. Durante muchas décadas, eso significaba que el paciente necesitaría cirugía para extraer las piedras, pero en la década de 1980, surgió una nueva forma de tratamiento:la litotricia.

La litotricia es la práctica de romper cálculos biliares o renales en pequeños pedazos dentro del cuerpo mediante ondas de choque producidas por una máquina llamada litotriptor. Estas ondas de choque de alta intensidad se transmiten al abdomen y se enfocan en la piedra, que se rompe por la energía de las olas en pedazos más pequeños que pueden ser expulsados ​​por el cuerpo.

Si bien la litotricia ha sido una alternativa bienvenida a la cirugía, tiene sus propios inconvenientes. Para uno, los litotriptores son grandes y costosos. Más preocupante para el paciente, aunque, es que el procedimiento es tan doloroso que requiere el mismo nivel de sedación que la cirugía.

Se ha desarrollado una nueva forma de litotricia que elimina estos problemas con la ayuda de Tim Colonius, Profesor de Ingeniería Mecánica Frank y Ora Lee Marble de Caltech.

Recientemente nos sentamos con Colonius para discutir esta nueva tecnología de litotricia, cómo su experiencia en el estudio de las interacciones entre fluidos y sonidos ha informado su comprensión de la tecnología, y los beneficios que podría ofrecer a los pacientes.

¿Cómo describiría su área principal de investigación?

Estudio la dinámica de fluidos computacional. Los fluidos se refieren a materiales que fluyen, principalmente líquidos o gases; La dinámica de fluidos se ocupa de predecir los movimientos de los fluidos y las fuerzas que crean. Podría parecer un vuelo de abejorro turbinas de viento, o sangre fluyendo por sus venas.

La dinámica de fluidos computacional se refiere a tratar de resolver las ecuaciones para el movimiento de fluidos mediante simulación por computadora.

Este proyecto de litotricia tiene una larga historia. ¿Puedes contarnos un poco sobre cómo empezó?

Brad Sturtevant [MS '56, Doctor. '60] fue la figura central de Caltech trabajando en este proyecto. Brad era profesor de aeronáutica, un investigador asombroso, y una figura querida en el campus que falleció a principios de la década de 2000. Hizo mucha investigación sobre ondas de choque [de alta energía, ondas de alta velocidad que viajan a través de un material], y sus intereses abarcaron todo, desde volcanes hasta otros fenómenos naturales que involucran ondas de choque.

Se enganchó con un científico llamado Andy Evan de la Universidad de Indiana. Andy reunió a un gran equipo de investigadores para estudiar la litotricia, y realmente puso el tema en el mapa académico. Brad se involucró porque el grupo estaba usando ondas de choque para romper cálculos renales, pero la gente no entendía cómo funcionaban las máquinas, cómo se generaron las ondas de choque, propagado a través del cuerpo, e interactuó con cálculos renales.

¿Cómo terminó usted involucrado?

Como muchas cosas en Caltech, fue una conversación en el pasillo. Yo era un profesor joven en ese momento, y estaba intentando crear herramientas computacionales para la cavitación, la formación de burbujas en un líquido.

Mucha gente de nuestro equipo pensó que la cavitación es un mecanismo importante de cómo las ondas de choque pulverizan los cálculos renales. Irónicamente, Brad se mostró escéptico sobre esto, pero reconoció que la hipótesis debe ser investigada, así que me preguntó si quería participar.

¿Cómo influye su experiencia en su trabajo sobre esto?

Un par de áreas en las que había trabajado anteriormente eran aeroacústica, que es el estudio de cómo los flujos producen sonido, y flujos burbujeantes. Cuando las burbujas oscilan, son muy eficientes para producir sonido. Entonces, cuando vas a la playa y oyes romper una ola y oyes todo ese tintineo, eso es burbujas que producen sonido.

Este proyecto fue interesante porque unió estas dos áreas, burbujas y acústica. No fue difícil para Brad convencerme de que trabajara en esto; es técnicamente interesante y tiene un enorme potencial para beneficiar a la gente.

¿En qué se diferencia este trabajo de la litotricia tradicional?

Lo nuevo aquí que llamamos litotricia de onda explosiva, es el uso de ultrasonido enfocado en lugar de ondas de choque. Podemos pensar en la litotricia tradicional como una serie de explosiones, y cada explosión hará estallar un cálculo renal de uno en uno.

Creo que cuando se desarrolló ese tipo de litotricia, hubo muchas oportunidades perdidas de sintonizar la frecuencia para resonar con las piedras. En cambio, lo que estamos haciendo es un ultrasonido enfocado de alta intensidad. Tiene una variedad de elementos ultrasónicos que pueden disparar cada uno de forma independiente, por lo que tiene mucha flexibilidad para diseñar ondas. Cuando haces ondas de choque de la manera tradicional, hay muchas menos oportunidades de adaptar la onda de choque a diferentes condiciones, a diferentes tipos de piedras de diferentes formas y diferentes materiales.

¿Qué beneficios tiene la litotricia de onda explosiva en comparación con la litotricia tradicional?

Hay un conjunto completo de ellos, lo que creo que lo hace realmente emocionante. Debido a que la amplitud de las ondas es menor, hay menos peligro de daño colateral al tejido cercano, por lo que el procedimiento es mucho menos doloroso. Entonces, está previsto que no necesite anestesia.

También está el hecho de que este dispositivo es mucho más económico de fabricar que un litotriptor de ondas de choque completo. Un urólogo podría permitirse comprar esto para su consultorio, Considerando que un litotriptor tradicional puede costar varios cientos de miles de dólares; estos instrumentos se encuentran a menudo en hospitales o clínicas especializadas. Esto podría tener una barrera de entrada mucho más baja.

¿Qué sigue para el trabajo?

Estamos en el punto en el que tenemos un modelo de simulación realmente bueno que podemos usar para optimizar la tecnología. Estamos encontrando formas de onda óptimas que generan resonancias que maximizan la cantidad de energía de deformación que podemos inducir en la piedra. Es similar a cómo un cantante de ópera puede romper una copa de vino cantando en el tono correcto. También estamos comenzando a incorporar comentarios en estos dispositivos para que puedan ser más autónomos y adaptarse en lugar de que el médico tenga que depender de su propia intuición.

Hay una pequeña empresa llamada SonoMotion que es un derivado del equipo de la Universidad de Washington que está construyendo estos dispositivos y realizando ensayos clínicos con docenas de pacientes. Los resultados parecen prometedores hasta ahora.

¿Cómo es trabajar en algo que puede mejorar tan directamente la vida y la salud de las personas?

Es humillante. No puedo relacionar la ciencia que hago directamente con los pacientes, pero trabajo con gente que lo hace. Estoy asombrado de cómo los médicos y científicos del mundo de la salud toman la ciencia básica y la aplican para ayudar a las personas.