การวิจัยคลื่นเสียง-นวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์ควบคุมเสียงและอะคูสติกส์เพื่อการบำบัด

ท่าเต้นอะคูสติก

         เซลล์หัวใจ เป็นเซลล์ที่มีความหนาแน่นมากที่สุดในร่างกาย   โดยประมาณ 100 ล้านเซลล์จะอยู่พื้นที่ที่มีขนาดเท่ากับก้อนน้ำตาล     โครงสร้างที่อัดเซลล์ไว้ใกล้กันมากนี้  ทำให้เซลล์สามารถสื่อสารกันและเต้นเป็นก้อนเดียวได้    อย่างไรก็ตาม สำหรับวิศวกรเนื้อเยื่อ มันเป็นอุปสรรค์ที่ยุ่งยาก:    นั่นคือ  หากบรรจุเซลล์ให้แน่นเกินไป   บางเซลล์ก็อาจไม่ได้รับสารอาหารที่เหมาะสม    หากหลวมเกินไป  พวกมันก็อาจจะไม่สามารถประสานจังหวะกันได้

         แพทย์โรคหัวใจ Sean Wu, MD, PhD, ได้รับการตรวจสอบปัญหา  เมื่อเขาได้พบกับ Utkan Demirci, PhD, นักชีววิศวกรรมอะคูสติก และศาสตราจารย์ด้านรังสีวิทยา     "Utkan นำเสนอแนวคิดว่า  เราสามารถใช้อะคูสติกเพื่อบรรจุเซลล์อย่างหนาแน่น และยังคงความสามารถในการควบคุมและปรับแต่งโครงสร้างองค์กรของพวกมัน -   และเรารู้สึกตื่นเต้นมาก"    Wu รองศาสตราจารย์ด้านการแพทย์กล่าว

         แนวคิดของ Demirci ใช้ประโยชน์จากสัญญาณอะคูสติกชนิดหนึ่งที่สร้างคลื่นฟาราเดย์   ซึ่งเป็นผลมาจากการรบกวนทางกายภาพที่ส่วนติดต่อของของเหลวและอากาศ (หากคุณเคยบินในเครื่องบินที่บินผ่านบริเวณสภาพอากาศแปรปรวน  พร้อมกับเครื่องดื่ม   คุณจะเห็นคลื่นฟาราเดย์ในถ้วยของคุณ )     คลื่น ทำให้เกิดระลอกคลื่นในของเหลว   และทุกสิ่งที่ลอยอยู่ในของเหลวก็จะลื่นไถลไปรอบๆ ด้วย

         "คุณสามารถกระตุ้นระลอกคลื่นเหล่านั้นบนไมโครสเกลได้" Demirci อธิบาย    "เช่นเดียวกับเมื่อกระแสน้ำในมหาสมุทรกวาดสมบัติของเรือที่จมลง เข้าสู่ฝั่ง -   เรากำลังทำสิ่งเดียวกันกับเซลล์หัวใจ"    อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างที่สำคัญคือ Demirci และ Wu สามารถควบคุม "คลื่น" ได้โดยการปรับปุ่มที่เปลี่ยนคลื่น

Utkan Demirci และ Sean Wu ใช้อะคูสติกเพื่อควบคุมเซลล์หัวใจให้เป็นรูปแบบที่ซับซ้อน     แค่การเปลี่ยนแปลงความถี่และแอมพลิจูด  จะทำให้เซลล์เคลื่อนที่, นำเซลล์ไปยังตำแหน่งใหม่  และยึดเซลล์ไว้กับที่

         Wu และ Demirci สามารถเลี้ยงเซลล์หัวใจให้เป็นรูปแบบใดก็ได้ที่พวกเขาต้องการ     “คุณสามารถสร้างสามเหลี่ยม, รูปทรงหกเหลี่ยม, วงกลม, เส้น -     คุณยังสามารถสร้างรูปร่างของมนุษย์ตัวเล็กๆได้”   Demirci กล่าว

         “และ” Wu กล่าวเสริม   “ถ้าคุณไม่ชอบรูปแบบนี้ ไม่ว่าด้วยเหตุผลใดก็ตาม   คุณสามารถเปลี่ยนได้ภายใน 5 หรือ 6 วินาที    คุณเปลี่ยนความถี่และแอมพลิจูด และเซลล์จะเคลื่อนไปยังจุดใหม่ต่อหน้าต่อตาคุณ”

         แตกต่างจากกลวิธีทางวิศวกรรมเนื้อเยื่ออื่น ๆ    อะคูสติกวางตำแหน่งเซลล์หัวใจในรูปแบบที่แน่นหนา  คล้ายกับเนื้อเยื่อหัวใจตามธรรมชาติอย่างใกล้ชิด    ทำให้ผลลัพธ์เป็นสิ่งที่มีค่าสำหรับการแพทย์

         Wu และ Demirci คิดว่า  วิศวกรรมอะคูสติก  สามารถช่วยส่งเสริมการสร้างแบบจำลองโรคหัวใจ และการตรวจคัดกรองยาที่สมจริงยิ่งขึ้น    ถึงจะยังอีกไกล   แต่ก็ยังคงอยู่บนขอบฟ้า    ทั้งคู่เห็นเนื้อเยื่อที่สร้างขึ้นเป็นทางเลือกสำหรับ heart patches ในผู้ป่วยที่มีผนังหัวใจอ่อนแอ หรือได้รับความเสียหายจากอาการหัวใจวาย

         Demirci และ Wu กล่าวว่า  พวกเขาวางแผนที่จะเพิ่ม vascularization ซึ่งเป็นท่อส่งเลือดและออกซิเจนไปยังส่วนต่างๆ ของอวัยวะ   เพื่อทำให้เนื้อเยื่อหัวใจที่สร้างขึ้นมีความสมจริงยิ่งขึ้น

ซิมโฟนีในสมอง

         ขณะฟังสตริงควอเตท (String Quartet) เล่นการบันทึกคลื่นพลาสม่าที่จับได้ในอวกาศและแปลงเป็นเสียง    นักประสาทวิทยา Josef Parvizi, MD, PhD, ฝันถึงซิมโฟนีของเขาเอง    ถ้าคุณสามารถเปลี่ยนสัญญาณจากอวกาศเป็นเสียงได้   บางทีคุณอาจเปลี่ยนคลื่นสมองเป็นเสียงได้เช่นกัน   เขาคิด

         ดังนั้น Parvizi จึงส่งอีเมลถึง Christopher Chafe นักแต่งเพลงที่เชี่ยวชาญในการแปลงชุดข้อมูลที่ไม่ธรรมดา ให้เป็นเพลง และอธิบายวิสัยทัศน์ของเขา     Parvizi ศาสตราจารย์ด้านประสาทวิทยาอธิบายสิ่งที่เกิดอะไรต่อมา:     "ศาสตราจารย์ด้านดนตรีที่คลั่งไคล้ และนักประสาทวิทยาที่คลั่งไคล้  ตัดสินใจที่จะร่วมมือกันในความคิดที่แปลกประหลาด"     Chafe เป็นผู้อำนวยการ  Center for Computer Research in Music and Acoustics ของสแตนฟอร์ด

         หลังจากหลายปีของการปรับแต่ง   แนวคิดนี้พัฒนาเป็นสิ่งที่ Parvizi ได้ขนานนามว่า  เครื่องตรวจฟังเสียงของสมอง (brain stethoscope)

https://fb.watch/v/A5eGEFKRi/

         เครื่องมือนี้ไม่เจ็บตัว  และดูเหมือนผ้ารัดบนศีรษะ  และฟังสัญญาณไฟฟ้าของสมอง    เพียงกดปุ่ม สัญญาณเหล่านั้นจะถูกแปลงเป็นเสียงที่สตรีมจากลำโพงขนาดเล็กที่เชื่อมต่อกับวงดนตรี ซึ่งแพทย์สามารถ "ได้ยิน" เสียงของสมองได้   โดยเฉพาะถ้ามีอาการชัก

         “ลองนึกภาพว่า  คุณเปิดหน้าต่างห้องพักในโรงแรม และคนทั้งเมืองก็ร้องเพลงเดียวกัน” Parvizi กล่าว     “คุณอาจไม่รู้แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้น แต่คุณรู้ว่ามันไม่ปกติ    เป็นแนวคิดเดียวกันกับสมอง    คุณไม่ต้องการให้สัญญาณซิงโครนัสมากเกินไป   ถ้าเป็นเช่นนั้น   สมองก็จะมีอาการชัก”    ปรากฎว่า  ความแตกต่างที่ได้ยินได้ระหว่างสมองที่มีอาการชัก กับสมองปกตินั้น ค่อนข้างชัดเจน    เกือบทุกคนสามารถได้ยินได้

                   Parvizi กล่าวว่า   แน่นอน หากมีคนมีอาการชักและสั่น   คุณไม่จำเป็นต้องใช้หูฟัง stethoscope เพื่อบอกคุณว่าพวกเขามีอาการชัก    "แต่มีบางอย่างเช่น   'อาการชักแบบไม่แสดงอาการไม่แสดงอาการกระตุก (non-convulsive subclinical seizures)'   และไม่มีอาการทางกายภาพที่ชัดเจน"

         แต่ก็ยังมีอาการเล็กน้อยอยู่บ้าง   ใครบางคนที่มีเกิดอาการเหล่านี้  อาจดูเหมือนสับสน และไม่ตอบสนอง หรืออาจผล็อยหลับไปอย่างกะทันหัน    ในสายตาของสาธารณชน    อาการชักประเภทนี้มักสังเกตุไม่เห็น    แต่นั่นไม่ได้หมายความว่า  อาการชักประเภทนี้คุกคามสุขภาพน้อยกว่า     Parvizi กล่าวว่า  ขณะนี้มีหลักฐานมากมายที่แสดงว่า  อาการชักแบบเงียบเป็นเวลานานนั้นสร้างความเสียหายต่อสมอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเด็กซึ่งสมองยังพัฒนาอยู่

         “ตอนนี้ ผู้ป่วยต้องการนักประสาทวิทยาที่ได้รับการฝึกฝนมาอย่างดี  เพื่อตรวจหาอาการชัก อาจเป็นข้อโต้แย้ง แต่เป้าหมายของผมคือ  การทำให้ทุกคนสามารถตรวจพบได้ - แพทย์, พยาบาล, ผู้ฝึกหัดทางการแพทย์ทุกประเภท”

         แม้แต่พ่อแม่

         “คุณต้องการให้พ่อแม่รู้ว่า  ลูกของพวกเขามีอาการชักหรือไม่   เพื่อที่พวกเขาจะได้หาผู้เชี่ยวชาญมาดูแล”   Parvizi กล่าว

         ในเดือนพฤษภาคม 2017    องค์การอาหารและยา ได้ให้ไฟเขียวแก่สิ่งประดิษฐ์ของ Parvizi และเขาได้ทดสอบความสามารถของหูฟัง stethoscope ในโรงพยาบาลหลายแห่งนับแต่นั้นมา และพบว่าได้ผลที่น่าพอใจ

         "สิ่งนี้สามารถเปลี่ยนแปลงการดูแลสุขภาพอย่างมากเมื่อต้องติดตามการทำงานของสมอง"

การให้พลังงานแก่ implantable medicine

         วางข้าวสองเมล็ดไว้ข้างๆ กัน และคุณก็ได้จำลองขนาดของชิปทางการแพทย์รุ่นใหม่ที่ค่อนข้างชาญฉลาด  ซึ่งคิดค้นโดย Amin Arbabian, PhD, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า     ชิป เป็นอุปกรณ์ฝังตัว เช่นเดียวกับ เครื่องกระตุ้นหัวใจ หรือเครื่องกระตุ้นเส้นประสาท   แต่ต่างกันตรงพลังงานที่ใช้    ไม่ใช่ด้วยแบตเตอรี่หรือสายไฟ   แต่ด้วยเสียง

         Arbabian กล่าวว่า "มันเป็นความท้าทายที่มีมาอย่างยาวนาน  ที่จะทำให้อุปกรณ์ทางการแพทย์มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้  และทำงานในส่วนลึกของร่างกาย"     "อัลตราซาวนด์ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้"

         การใช้อัลตราซาวนด์ในระยะยาวในการถ่ายภาพทารกในครรภ์  ได้รับชื่อเสียงในด้านการแพทย์ว่าปลอดภัยและเชื่อถือได้    ทำให้เป็นตัวเลือกหลักในการขับเคลื่อนชิปที่สามารถฝังในร่างกายได้    บางทีคลื่นเสียงที่อ่อนโยนก็อาจมีความสำคัญไม่แพ้กัน      ชิปสามารถเปลี่ยนฟังก์ชันเพื่อตอบสนองความต้องการทางชีวภาพที่แตกต่างกัน     โหมดต่างๆ ของมันถูกควบคุมโดยสิ่งเดียวกับที่ให้พลังงานแก่มัน     "อัลตราซาวด์เป็นทั้งแหล่งพลังงาน  และวิธีการสื่อสารกับอุปกรณ์"   อาร์บาเบียนกล่าว

         โมดูลขนาดเล็กที่เรียกว่า  harvester  ตั้งอยู่บนชิป  และแปลงคลื่นอัลตราซาวนด์เป็นพลังงานไฟฟ้า    ด้วยการฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ไปยังชิป    Arbabian สามารถส่งคำสั่งที่เข้ารหัส เช่น รหัสมอร์สได้     "ตัวอย่างเช่น   เราสามารถสั่งให้มันเริ่มตรวจสอบพารามิเตอร์บางอย่าง เช่น ความดันโลหิต หรือส่งสัญญาณชีพจรไฟฟ้า เพื่อกระตุ้นเส้นประสาท หรือกระตุ้นการปลดปล่อยยาอย่างแม่นยำ ณ บริเวณเฉพาะ"

                  เขากล่าวว่า  เป้าหมายคือการสร้างชิป "อัจฉริยะ" หรือเครือข่ายชิปอัจฉริยะ  เพื่อ  ไม่เพียง แต่ดำเนินการคำสั่งเฉพาะ   แต่ยังเพื่อตรวจสอบพารามิเตอร์ทางสรีรวิทยาและส่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับผู้ป่วย    ข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งต่างๆ เช่น ระดับอินซูลิน หรือความดันโลหิต   จะถูกส่งไปยังอุปกรณ์ภายนอก ซึ่งแพทย์สามารถเข้าถึงได้    ในแง่นั้น   Arbabian และทีมแล็บของเขากำลังทำงานเพื่อมุ่งสู่ระบบวงปิด  ซึ่งอุปกรณ์สามารถทำงานได้อย่างราบรื่นในร่างกายโดยไม่ต้องมีคำสั่งอย่างต่อเนื่อง

         ในระบบวงจรปิด    เซ็นเซอร์ของชิปจะกระตุ้นการปล่อยปริมาณยาที่ใช้ในการรักษา ซึ่งอาจเป็นกระแสไฟฟ้า หรือยา  ที่อยู่ในห้องแยกของชิป    เช่น ในผู้ป่วยโรคความดันโลหิตสูง  อุปกรณ์จะตรวจหลอดเลือดแดง    หากชิปตรวจพบความดันโลหิตที่เพิ่มขึ้น   ก็จะให้ยาเพื่อช่วยลดความดัน

         "เราสามารถเห็นระบบนี้ทำงานเพื่อรักษาความดันโลหิต  หรือจัดการภาวะกลั้นปัสสาวะไม่อยู่  หรือโรคเบาหวาน"   Arbabian กล่าว

         เขาและทีมงานกำลังทำงานเกี่ยวกับอุปกรณ์นต่อไป  และร่วมมือกับห้องทดลองอื่นๆ เพื่อทดสอบการติดตั้งในสัตว์     พวกเขายังมีความร่วมมือด้านการวิจัยกับองค์การอาหารและยา  ซึ่งกำลังตรวจสอบอุปกรณ์ต้นแบบอย่างอิสระ

         “ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำ” Arbabian กล่าว "แต่มีเหตุผลมากมายที่จะหวัง"