Lorsqu'une personne développe un calcul rénal ou biliaire - des accumulations dures de minéraux et d'autres composés créés par le corps - elle peut ressentir beaucoup de douleur et d'inconfort. Dans les cas plus avancés, ces pierres peuvent avoir des effets graves sur la santé.

Si le corps est incapable d'expulser ces pierres par lui-même, une intervention médicale est souvent nécessaire. Pendant de nombreuses décennies, cela signifiait que le patient aurait besoin d'une intervention chirurgicale pour retirer les calculs, mais dans les années 80, une nouvelle forme de traitement est apparue :la lithotritie.

La lithotritie est la pratique consistant à casser des calculs biliaires ou rénaux en petits morceaux dans le corps à l'aide d'ondes de choc produites par une machine appelée lithotriteur. Ces ondes de choc de haute intensité sont transmises dans l'abdomen et focalisées sur la pierre, qui est brisé par l'énergie des vagues en plus petits morceaux qui peuvent être expulsés par le corps.

Alors que la lithotritie a été une alternative bienvenue à la chirurgie, il a ses propres inconvénients. Pour un, les lithotriteurs sont gros et chers. Plus préoccupant pour le patient, bien que, est que la procédure est si douloureuse qu'elle nécessite le même niveau de sédation que la chirurgie.

Une nouvelle forme de lithotritie qui élimine ces problèmes est en cours de développement avec l'aide de Tim Colonius, Frank et Ora Lee Marble de Caltech, professeur de génie mécanique.

Nous avons récemment rencontré Colonius pour discuter de cette nouvelle technologie de lithotritie, comment son expérience dans l'étude des interactions entre les fluides et les sons a éclairé sa compréhension de la technologie, et les avantages qu'il pourrait offrir aux patients.

Comment décririez-vous votre domaine de recherche principal ?

J'étudie la dynamique des fluides numérique. Les fluides désignent les matériaux qui s'écoulent, principalement des liquides ou des gaz; la dynamique des fluides s'occupe de prédire les mouvements des fluides et les forces qu'ils créent. Cela pourrait ressembler à un vol de bourdon, éoliennes, ou du sang qui coule dans vos veines.

La dynamique des fluides numérique fait référence à la tentative de résoudre les équations du mouvement des fluides grâce à la simulation informatique.

Ce projet de lithotritie a une longue histoire. Pouvez-vous nous raconter un peu comment cela a commencé ?

Brad Sturtevant [MS '56, doctorat '60] était la figure centrale de Caltech travaillant sur ce projet. Brad était professeur d'aéronautique, un chercheur extraordinaire, et une figure bien-aimée sur le campus qui est décédée au début des années 2000. Il a fait beaucoup de recherches sur les ondes de choc [haute énergie, ondes à grande vitesse qui traversent un matériau], et ses intérêts couvraient tout, des volcans à d'autres phénomènes naturels impliquant des ondes de choc.

Il s'est lié avec un scientifique nommé Andy Evan de l'Université de l'Indiana. Andy a réuni une énorme équipe de chercheurs pour étudier la lithotritie, et il a vraiment mis le sujet sur la carte académique. Brad s'est impliqué parce que le groupe utilisait des ondes de choc pour briser les calculs rénaux, mais les gens ne comprenaient pas comment les machines fonctionnaient, comment les ondes de choc ont été générées, propagé à travers le corps, et interagi avec les calculs rénaux.

Comment vous êtes-vous impliqué ?

Comme beaucoup de choses chez Caltech, c'était une conversation de couloir. J'étais un jeune professeur à l'époque, et j'essayais de construire des outils de calcul pour la cavitation, la formation de bulles dans un liquide.

Beaucoup de membres de notre équipe pensaient que la cavitation est un mécanisme important pour la façon dont les calculs rénaux sont pulvérisés par les ondes de choc. Ironiquement, Brad était sceptique à ce sujet, mais il a reconnu que l'hypothèse devrait être étudiée, alors il m'a demandé si je voulais être impliqué.

Comment votre parcours éclaire-t-il votre travail à ce sujet ?

Quelques domaines dans lesquels j'avais travaillé auparavant étaient l'aéroacoustique, qui est l'étude de la façon dont les flux produisent du son, et des flux pétillants. Quand les bulles oscillent, ils sont très efficaces pour produire du son. Donc, quand tu vas à la plage et que tu entends une vague se briser et que tu entends tout ce tintement, ce sont des bulles produisant du son.

Ce projet était intéressant car il réunissait ces deux domaines, les bulles et l'acoustique. Il n'a pas été difficile pour Brad de me convaincre de travailler là-dessus – c'est techniquement intéressant et a un énorme potentiel pour les gens.

En quoi ce travail est-il différent de la lithotripsie traditionnelle ?

La nouveauté ici, que nous appelons la lithotritie à ondes salves, est l'utilisation d'ultrasons focalisés plutôt que d'ondes de choc. On peut considérer la lithotritie traditionnelle comme une série d'explosions, et chaque explosion va faire exploser un calcul rénal un coup à la fois.

Je pense que lorsque ce genre de lithotritie a été développé, il y avait beaucoup d'occasions manquées d'accorder la fréquence pour résonner avec les pierres. Ce que nous faisons à la place, ce sont des ultrasons focalisés de haute intensité. Vous disposez d'un ensemble d'éléments à ultrasons qui peuvent chacun tirer indépendamment, vous avez donc beaucoup de flexibilité pour concevoir des vagues. Quand vous faites des ondes de choc de manière traditionnelle, il y a beaucoup moins d'opportunités d'adapter l'onde de choc à différentes conditions, à différents types de pierres de différentes formes et différents matériaux.

Quels sont les avantages de la lithotritie par ondes de rafale par rapport à la lithotritie traditionnelle ?

Il y en a toute une suite, ce qui, je pense, le rend vraiment excitant. Parce que l'amplitude des vagues est plus faible, il y a moins de risque de dommages collatéraux aux tissus avoisinants, la procédure est donc beaucoup moins douloureuse. Donc, il est prévu que vous n'auriez pas besoin d'anesthésie.

Il y a aussi le fait que cet appareil est beaucoup moins cher à fabriquer qu'un lithotriteur complet à ondes de choc. Un urologue pourrait se permettre d'acheter ceci pour son bureau, alors qu'un lithotriteur traditionnel peut coûter plusieurs centaines de milliers de dollars; ces instruments se trouvent souvent dans les hôpitaux ou les cliniques spécialisées. Cela pourrait avoir une barrière à l'entrée beaucoup plus faible.

Quelle est la suite des travaux ?

Nous en sommes juste au point où nous avons un très bon modèle de simulation que nous pouvons utiliser pour optimiser la technologie. Nous trouvons des formes d'onde optimales qui créent des résonances qui maximisent la quantité d'énergie de déformation que nous pouvons induire dans la pierre. C'est similaire à la façon dont un chanteur d'opéra pourrait briser un verre de vin en chantant à la bonne hauteur. Nous commençons également à intégrer un retour d'information dans ces appareils afin qu'ils puissent être plus autonomes et s'adapter au lieu que le médecin ait à se fier à sa propre intuition.

Il y a une petite entreprise appelée SonoMotion qui est une spin-off de l'équipe de l'Université de Washington qui construit ces appareils et fait des essais cliniques avec des dizaines de patients. Les résultats semblent prometteurs jusqu'à présent.

Qu'est-ce que ça fait de travailler sur quelque chose qui peut améliorer directement la vie et la santé des gens ?

C'est humiliant. Je ne peux pas connecter la science que je fais directement aux patients, mais je travaille avec des gens qui le font. Je suis simplement étonné de voir comment les médecins et les scientifiques du monde de la santé utilisent la science fondamentale et l'appliquent pour aider les gens.