Innowacje ultradźwiękowe umożliwiają bezbolesne szczepienie, monitorują dynamikę mięśni w czasie rzeczywistym – Świat Fizyki

Połączenia Akustyka 2023 Sydney konferencja, której współgospodarzami są Acoustical Society of America i Australian Acoustical Society, zgromadziła akustyków, badaczy, muzyków i innych ekspertów z całego świata, aby podzielić się najnowszymi osiągnięciami w tej dziedzinie. W kilku z przedstawionych badań opisano innowacyjne zastosowania akustyki w opiece zdrowotnej, w tym wykorzystanie kawitacji akustycznej do bezigłowego podawania szczepionki oraz przenośny przetwornik ultradźwiękowy, który śledzi dynamikę mięśni podczas regeneracji po urazie.

Ultradźwięki umożliwiają bezbolesne szczepienie

Darcy Dunn-Lawless z Uniwersytetu Oksfordzkiego Instytut Inżynierii Biomedycznej opisali zastosowanie ultradźwięków do bezigłowego podawania szczepionek.

Chcąc ominąć strach przed igłami, jakiego doświadcza wielu dorosłych i znacznie więcej dzieci, Dunn-Lawless i współpracownicy wykorzystują efekt akustyczny zwany kawitacją, w którym fala dźwiękowa powoduje powstawanie i pękanie pęcherzyków. Kiedy te pęcherzyki zapadają się, uwalniają skoncentrowany wybuch energii mechanicznej.

Pomysł polega na wykorzystaniu tych impulsów energii na trzy sposoby: do oczyszczenia przejść przez zewnętrzną warstwę martwych komórek skóry i umożliwienia przejścia cząsteczkom szczepionki; aktywnie wtłaczać cząsteczki szczepionki do organizmu; i otwieranie błon komórkowych wewnątrz ciała. Aby zwiększyć aktywność kawitacji, badacze wykorzystali cząstki wielkości nanometrów zwane białkowymi jądrami kawitacyjnymi (PCaN) – zasadniczo cząstki białkowe w kształcie miseczki – do podparcia pęcherzyków gazu.

W testach na myszach naukowcy porównali odpowiedź immunologiczną uzyskaną po standardowym śródskórnym szczepieniu szczepionką DNA z metodą kawitacyjną. W przypadku podawania metodą kawitacji zmieszano PCaN ze szczepionką DNA w komorze umieszczonej na skórze zwierzęcia i wystawionej na działanie ultradźwięków przez dwie minuty.

Odkryli, że konwencjonalna iniekcja dostarczyła o kilka rzędów wielkości więcej cząsteczek szczepionki niż metoda kawitacyjna. „Jednak tutaj sprawy robią się interesujące” – wyjaśnił Dunn-Lawless na konferencji prasowej. „Kiedy spojrzymy na odpowiedź immunologiczną wygenerowaną przez obie te metody podawania i stężenie przeciwciał, można zauważyć, że grupa kawitacyjna uzyskała znacznie wyższą odpowiedź immunologiczną, mimo że otrzymała o wiele mniej cząsteczek szczepionki”.

Zaznaczył, że jest to szczególnie ekscytujący wynik, po pierwsze dlatego, że potwierdza, że ​​w ten sposób możliwe jest dostarczanie szczepionek. Ale także dlatego, że pokazuje, że technika bezigłowa może teoretycznie pozwolić organizmowi uzyskać lepszą odpowiedź immunologiczną przy użyciu mniejszej ilości szczepionki, dzięki czemu szczepienie będzie skuteczniejsze.

Mechanizm leżący u podstaw tego efektu nie jest jeszcze jasny, ale Dunn-Lawless zasugerował, że może to wynikać z aktywności kawitacyjnej otwierającej błony komórkowe i wpuszczającej cząsteczki do komórek. Innymi słowy, chociaż mniej cząsteczek dostaje się do organizmu, te, które to robią, trafiają we właściwe miejsce. Może to być szczególnie korzystne w przypadku szczepionek DNA, które obecnie są trudne do dostarczenia, ponieważ aby mogły funkcjonować, muszą przedostać się do wnętrza komórki.

Monitorowanie regeneracji mięśni w czasie rzeczywistym

Powrót do zdrowia po urazie układu mięśniowo-szkieletowego może być długim i trudnym procesem. Dlatego ważne jest śledzenie postępów pacjenta w trakcie rehabilitacji i powolnej odbudowy siły mięśniowej. Jednak bezpośrednie pomiary funkcji mięśni podczas aktywności fizycznej nie są łatwo dostępne, a niewiele technologii medycznych można zastosować podczas ruchu pacjenta, co może utrudniać leczenie i rehabilitację.

Jedną z opcji jest ultrasonografia, która może zapewnić nieinwazyjne obrazy tkanki pod skórą i ujawnić, w jaki sposób różne grupy mięśni poruszają się i kurczą podczas dynamicznej aktywności fizycznej. Tradycyjne systemy ultradźwiękowe są jednak duże i nieporęczne, wymagają przywiązania pacjenta do instrumentu i dlatego nie umożliwiają obrazowania w czasie rzeczywistym podczas aktywności.

So Parag Chitnis z George Mason University wraz ze współpracownikami postanowili zbudować od podstaw własne urządzenie ultradźwiękowe. Zaprojektowali kompaktowy, przenośny system ultradźwiękowy, który porusza się wraz z pacjentem i dostarcza klinicznie istotnych informacji na temat funkcjonowania mięśni podczas aktywności fizycznej.

W tym celu naukowcy opracowali nową technologię ultradźwiękową, która opiera się na transmisji ćwierkających sygnałów o niskim napięciu i długim czasie trwania – w przeciwieństwie do konwencjonalnie stosowanych sekwencji impulsów o bardzo wysokim napięciu i krótkim czasie trwania. Umożliwiło im to wykorzystanie tanich komponentów elektronicznych, takich jak te, które można znaleźć w radiu samochodowym, do zaprojektowania prostszego, przenośnego systemu ultradźwiękowego, który mógłby być zasilany bateriami i podłączany do pacjenta. Nowe podejście nazywają SMART-US, czyli jednoczesną oceną układu mięśniowo-szkieletowego za pomocą ultradźwięków w czasie rzeczywistym.

Zespół przetestował to podejście na osobie wykonującej skoki w przeciwstawnym ruchu (rutynowe ćwiczenie oceniające stan zdrowia i funkcję kończyn dolnych i stawów kolanowych) na płycie siłowej z przetwornikiem ultradźwiękowym przymocowanym do nogi. Urządzenie SMART-US zapewniało w czasie rzeczywistym informacje zwrotne na temat poziomu aktywacji i funkcjonowania mięśni podczas skoków, przy czym zaobserwowano znaczącą korelację między danymi dotyczącymi siły a pomiarami ultradźwiękowymi. Chitnis dodał, że tę technikę można również zastosować do jednoczesnego badania kilku różnych mięśni.

„Biofeedback oparty na ultradźwiękach może pomóc w personalizacji terapii i rehabilitacji w celu poprawy wyników leczenia” – wyjaśnił na konferencji prasowej. „Inne zastosowania, jakie przewidujemy dla naszej technologii, obejmują sprawność osobistą, trening sportowy i medycynę sportową, zdrowie wojskowe, rehabilitację po udarze i ocenę ryzyka upadków u osób starszych”.

Kolejnym celem jest transfer technologii i poddanie urządzenia dopuszczeniu przez FDA, aby zespół mógł przeprowadzić badania kliniczne w zakresie rehabilitacji. W przyszłości Chitnis przewiduje, że kliniki będą mogły kupić system podstawowy już za kilkaset dolarów.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/ultrasound-innovations-enable-pain-free-vaccination-monitor-muscle-dynamics-in-real-time/