Ультразвуковые инновации позволяют проводить вакцинацию без боли, отслеживать динамику мышц в режиме реального времени – Мир физики

Ассоциация Акустика 2023 Сидней Конференция, организованная Акустическим обществом Америки и Австралийским акустическим обществом, собрала акустиков, исследователей, музыкантов и других экспертов со всего мира, чтобы поделиться последними разработками в этой области. В нескольких из представленных исследований описаны инновационные применения акустики в здравоохранении, включая использование акустической кавитации для безыгольной доставки вакцин и портативного ультразвукового преобразователя, который отслеживает динамику мышц во время восстановления после травмы.

Ультразвук делает вакцинацию безболезненной

Дарси Данн-Лоулесс из Оксфордского университета Институт биомедицинской инженерии описали использование ультразвука для безыгольной доставки вакцин.

Стремясь обойти страх перед иглами, от которого страдают многие взрослые и многие другие дети, Данн-Лоулесс и его коллеги используют акустический эффект, называемый кавитацией, при котором звуковая волна вызывает образование и лопание пузырьков. Когда эти пузырьки схлопываются, они высвобождают концентрированный выброс механической энергии.

Идея состоит в том, чтобы использовать эти энергетические выбросы тремя способами: очистить проходы через внешний слой омертвевших клеток кожи и позволить молекулам вакцины пройти сквозь них; активно вводить молекулы вакцины в организм; и открыть клеточные мембраны внутри тела. Чтобы усилить кавитационную активность, исследователи использовали частицы нанометрового размера, называемые белковыми кавитационными ядрами (PCaN) — по сути, белковые частицы чашеобразной формы — для поддержки пузырьков газа.

В ходе испытаний на мышах исследователи сравнили иммунный ответ, вызванный стандартной внутрикожной вакцинацией ДНК-вакциной, с кавитационным подходом. Для доставки на основе кавитации они смешали PCaN с ДНК-вакциной в камере, помещенной на кожу животного и подвергшейся воздействию ультразвука в течение двух минут.

Они обнаружили, что обычная инъекция доставляет на несколько порядков больше молекул вакцины, чем кавитационный подход. «Однако здесь все становится интереснее», — объяснил Данн-Лоулесс на пресс-конференции. «Когда вы посмотрите на иммунный ответ, вызванный обоими этими методами доставки, на концентрацию антител, вы увидите, что кавитационная группа получила значительно более высокий иммунный ответ, даже несмотря на то, что они получили гораздо меньше молекул вакцины».

Он отметил, что это особенно впечатляющий результат, во-первых, поскольку он подтверждает возможность доставки вакцин таким способом. Но еще и потому, что он показывает, что безыгольная методика теоретически может позволить организму добиться большего иммунного ответа с меньшим количеством вакцины, что делает вакцинацию более эффективной.

Механизм, лежащий в основе этого эффекта, еще не ясен, но Данн-Лоулесс предположил, что это может быть связано с кавитационной активностью, открывающей клеточные мембраны и пропускающей молекулы в клетки. Другими словами, хотя в организм попадает меньше молекул, те, которые попадают, попадают в нужное место. Это может быть особенно благоприятно для ДНК-вакцин, которые в настоящее время трудно доставить, поскольку для функционирования им необходимо проникнуть внутрь клетки.

Мониторинг восстановления мышц в режиме реального времени

Восстановление после травм опорно-двигательного аппарата может оказаться долгим и трудным процессом. Поэтому важно отслеживать прогресс пациента по мере того, как он проходит реабилитацию и медленно восстанавливает мышечную силу. Однако прямые измерения функции мышц во время физической активности недоступны, а во время движения пациента можно использовать лишь немногие медицинские технологии, что может затруднить лечение и реабилитацию.

Одним из вариантов является УЗИ, которое может предоставить неинвазивные изображения тканей под кожей и выявить, как различные группы мышц двигаются и сокращаются во время динамической физической активности. Однако традиционные ультразвуковые системы большие и громоздкие, требуют привязки пациента к инструменту и, таким образом, не способствуют получению изображений в реальном времени во время активности.

So Параг Читнис из Университета Джорджа Мейсона и его коллеги решили создать собственное ультразвуковое устройство с нуля. Они разработали компактную носимую ультразвуковую систему, которая движется вместе с пациентом и предоставляет клинически значимую информацию о функции мышц во время физической активности.

Для этого исследователи разработали новую ультразвуковую технологию, которая основана на передаче низковольтных и длительных импульсов – в отличие от традиционно используемых очень высоковольтных и коротких импульсных последовательностей. Это позволило им использовать недорогие электронные компоненты, подобные тем, которые используются в автомобильном радиоприемнике, для разработки более простой портативной ультразвуковой системы, которая могла бы питаться от батарей и прикрепляться к пациенту. Они называют новый подход SMART-US, или одновременную оценку скелетно-мышечной системы с ультразвуком в реальном времени.

Команда протестировала этот подход на испытуемом, выполняющем прыжки встречным движением (обычное упражнение для оценки здоровья и функции нижних конечностей и коленных суставов) на силовой пластине с прикрепленным к ноге ультразвуковым датчиком. Устройство SMART-US обеспечивало обратную связь в режиме реального времени об уровне активации и функционирования мышц во время прыжков, при этом наблюдалась значительная корреляция между данными о силе и измерениями ультразвука. Читнис добавил, что эту технику можно также использовать для одновременного исследования нескольких разных мышц.

Носимый ультразвуковой датчик обеспечивает непрерывную визуализацию сердца

«Биологическая обратная связь на основе ультразвука может помочь персонализировать терапию и реабилитацию для улучшения результатов лечения», — пояснил он на пресс-конференции. «Другие области применения, которые мы предполагаем для нашей технологии, включают личный фитнес, спортивную подготовку и спортивную медицину, военное здравоохранение, реабилитацию после инсульта и оценку риска падений у пожилых людей».

Следующая цель — передача технологий, чтобы устройство прошло одобрение FDA, чтобы команда могла провести клинические исследования для реабилитации. В дальнейшем Читнис предполагает, что клиники смогут приобрести систему базового уровня всего за несколько сотен долларов.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/ultrasound-innovations-enable-pain-free-vaccination-monitor-muscle-dynamics-in-real-time/