P. V. Tsaklis, PhD Assoc Professor Biomechanics Tissue Engineering

Παρουσίαση με θέμα: "P. V. Tsaklis, PhD Assoc Professor Biomechanics Tissue Engineering"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 P. V. Tsaklis, PhD Assoc Professor Biomechanics Tissue Engineering
Mechanical & Physiological influence of different types of acoustic waves on body tissues Η μηχανική και φυσιολογική επίδραση των διαφόρων τύπων ακουστικών κυμάτων στους ιστούς του σώματος P. V. Tsaklis, PhD Assoc Professor Biomechanics Tissue Engineering ₧

2 SoftTissues Οι ιστοί μπορούν να χαρακτηριστούν από την ακουστική τους «σύνθετη αντίσταση», το αποτέλεσμα του συνδιασμού της πυκνότητάς τους και της ταχύτητας με την οποία ο ήχος κινείται διαμέσου των… Tissues can be characterized by their acoustic impedance, the product of their density and the speed at which sound will travel through it ₧

3 Τα αποτελέσματα των ηχητικών κυμάτων σε διαφόρους ιστούς, είναι υπό συνεχή έρευνα. Μερικά από τα αποτελέσματα είναι πιο αποδεκτά στην ιατρική κοινωνία, από άλλα, όπως για παράδειγμα το αποτέλεσμα των extracorporeal shockwaves στη λιθοτριψία… The effects of acoustic waves on a variety of tissues is under continuous investigation. Some of the effects are more widely accepted by the medical community than others; for example the effect of extracorporeal shockwaves for lithotripsy… ₧

4 Θα μελετήσουμε τα χαρακτηριστικά και τις διαφορές των διαφόρων τύπων ακουστικών κυμάτων, όπως των κρουστικών κυμάτων (ESW), των κυμάτων πίεσης (PW) και των Υπερήχων (US) We shall study the characteristics and the differences of variety types of acoustic waves, like Extracorporeal Shock Waves (ESW), Pressure Waves (PW) and Ultrasound (US) Muscles are distributed in pairs on the right and left sides of the body. Remaining muscles (other than 75 pairs) used for activities such as eye control and swallowing. Anatomical and physiological characteristics: Magnitude of generated force Speed with which force developed Length of time force maintained All affected when tension is developed within muscle ₧

5 ESWT (shock waves) Τα κρουστικά κύματα, είναι ακουστικά κύματα που χαρακτηρίζονται από υψηλή τιμή πίεσης η οποία αυξάνεται απότομα σε σχέση με την περιβάλουσα πίεση της περιοχής... Ως μηχανικά κύματα, μπορούν να περάσουν την επιφάνεια του σώματος, δίχως να προκαλέσουν τραυματισμό και να επιδράσουν θεραπευτικά σε προκαθορισμένες περιοχές στο σώμα… Shock waves are acoustic waves that are characterised by high pressure amplitudes and an abrupt increase in pressure in comparison to the ambient pressure. As mechanical waves, they can pass through the surface of a body without injury and may act therapeutically in predetermined areas within the body… ₧

6 …τότε, συμβαίνει μία μεταβολή της πίεσης, η οποία προωθείται ταχύτατα μέσω ενός μεσάζοντος υλικού (π.χ. ζελέ). Το κύμα εμφανίζει μία απότομη αύξηση της τιμής πίεσης, (αντιπροσωπεύει το χρόνο μεταξύ 10 και 90% του συνολικού αρχικού χρόνου αύξησης) κατά το πρώτο τμήμα του λιγότερο από 10 nsec (Δt), ένα χαμηλό εύρος τάσης, ένα μικρό κύκλο ζωής (λιγότερο από 10 msec), ένα ευρή φάσμα συχνότητας (16 έως 20 MHz) και μία μεταβλητή αρνητική πίεση στο τέλος… …there, occur a pressure disturbance that propagates rapidly through a medium. The wave appears an acute rise in pressure amplitude (represents the time between 10 and 90% of the total initial rise time) at the wave front of less than 10 nsec (Δt), a low tensile amplitude, a short life-cycle (less than 10 msec), a broad frequency spectrum (16 to 20 MHz) and a variable negative pressure at the end…

7 Στο όριο μεταξύ δύο υλικών, ένα κρουστικό κύμα θα ανακλαστεί μερικώς, και μερικώς θα μεταδωθεί. Η εξασθένηση του κύματος εξαρτάται από το μέσο δια του οποίου το κύμα κινείται. Στον αέρα, το κρουστικό κύμα εξασθενεί γρήγορα. Στο νερό όμως, η εξασθένηση είναι περίπου 1000 φορές λιγότερη από αυτή που συμβαίνει στον αέρα. Τα ιατρικά εφαρμοζόμενα κρουστικά κύματα, συνήθως προωθούνται μέσω νερού και ζελέ, πριν εισέλθουν στον ιστό… At the boundary between two media, a shockwave will be partially reflected, and partially transmitted. Attenuation of the shockwave is dependent on the medium through which the shockwave is travelling. In air, the shockwave weakens quickly. In water, however, attenuation occurs approximately 1000 times less than that which occurs in air Medically applicable shockwaves are conventionally propagated through a water medium and a coupling gel before penetrating tissue… ₧

8 Η παραγωγή του κρουστικού κύματος χρησιμοποιούνται τρεις διαφορετικές αρχές: ηλεκτροϋδραυλική, πιεζοηλεκτρική και ηλεκτρομαγνητική Εστιάζουν χρησιμοποιώντας σφαιρικούς σχηματισμούς, ακουστικούς φακούς ή ανακλαστήρες Μεταξύ των τεχνικών παραγωγής των κρουστικών κυμάτων που αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιούνται σε κλινικές εφαρμογές, τα ηλεκτροϋδραυλικά και η ηλεκτρομαγνητικά κρουστικά κύματα, φάνηκε να είναι τα πιο κατάληλα για ορθοπαιδική θεραπεία Shock wave generation makes use of three different principles: electrohydraulic, piezoelectric and electromagnetic. They are focused using spherical arrangements, acoustical lenses or reflectors Among shockwave generation techniques developed and used until now in clinical applications, electrohydraulic (EH) and electromagnetic (EM) waves have been found to be the most suitable for orthopedic treatment ₧

9 Κύματα Πίεσης - PW (pressure Waves)
Επιπρόσθετα με τα παραπάνω περιγραφθέντα κρουστικά κύματα, τα κύματα Πίεσης με διάφορες μορφές, χρησιμοποιούνται στην Ιατρική Ενώ τα κρουστικά κύματα ταξιδεύουν με την διαδιδόμενη ταχύτητα από το μέσον (περιπ m/s για μαλακούς ιστούς), τα κύματα πίεσης συνήθως δημιουργούνται από τη σύγκρουση στερεών σωμάτων, με μία ταχύτητα επίδρασης μερικών μέτρων το δευτερόλεπτο, πολύ χαμηλότερη της ταχύτητας του ήχου… In addition to the above-described shock waves, also pressure waves with different features are used in medicine. Whereas shock waves typically travel with the propagation speed of the medium (approx m/s for soft tissue), pressure waves are usually generated by the collision of solid bodies with an impact speed of a few metres per second, far below the sound velocity ₧

10 PW (pressure Waves) First, a projectile is accelerated, e.g. with compressed air (similarly to an air gun), to a speed of several metres per second and then abruptly slowed down by hitting an impact body. This the reason, pressure waves called also Balistic or Pneumatic waves. The elastically suspended impact body is brought into immediate contact with the surface of the patient above the area to be treated, using ultrasound coupling gel if necessary… αρχικά, ένα ωστικό κύμα επιταχύνεται, π.χ με πεπιεσμένο αέρα (όμοια με ένα αεροβόλο), σε μία ταχύτητα μερικών μέτρων το δευτερόλεπτο και έπειτα επιβραδύνεται απότομα, χτυπώντας ένα παρεμβαλλόμενο σώμα επαφής (κεφαλή). Γι αυτό το λόγο, τα κύματα πίεσης ονομάζονται και Βαλιστικά ή Πνευματικά κύματα. Το ελαστικά επιβραδυνόμενο σώμα επαφής, έρχεται σε άμεση επαφή με την επιφάνεια του ασθενή, στην περιοχή που θα θεραπευτεί, χρησιμοποιώντας ζελέ για υπέρηχους, εάν χρειαστεί… ₧

11 PW (pressure Waves) ….όταν το ωστικό κύμα προσκρούει στο σώμα επαφής, μέρος της κινητικής του ενέργειας μεταφέρεται στο σώμα επαφής, το οποίο επίσης κάνει μία μικρή κίνηση μετατόπισης (τυπικά < 1 mm) σε μία ταχύτητα περίπου το ένα μέτρο ανά δευτερόλεπτο (< 1 m/s) έως ότου ο εφαπτόμενος ιστός επιβραδύνει την κίνηση του σώματος επαφής… ….When the projectile collides with the impact body, part of its kinetic energy is transferred to the impact body, which also makes a translational movement over a short distance (typically < 1 mm) at a speed of around one metre per second (typically < 1 m/s) until the coupled tissue or the applicator decelerates the movement of the impact body… ₧

12 Τα προσομοιωμένα αποτελέσματα και οι θεραπευτικοί μηχανισμοί δείχνουν να
είναι όμοιοι, παρά τις φυσικές διαφορές και τις επακόλουθα διαφορετικές περιοχές εφαρμογής (σε μέγεθος επιφάνειας και βάθος αντίστοιχα). Όμως, τα κύματα πίεσης δεν είναι ικανά να σπάσουν σκληρά στερεά όπως π.χ. πέτρες στα νεφρά βαθιά στο σώμα (>1 cm). Ωστόσο, τα μη εστιασμένα κύματα πίεσης, δείχνουν να ταιριάζουν καλύτερα σε ορθοπεδικές ενδείξεις κοντά στην επιφάνεια, καθώς και στη θεραπεία των trigger point therapy The simulation effects and therapeutic mechanisms seem to be similar, despite the physical differences and the resulting different application areas (on the surface and in depth respectively). However, the pressure waves are not able to fragment hard concrements such as e.g. kidney stones deeper in the body (> 1 cm). Nevertheless, unfocused pressure waves seem to be well suited for orthopaedic indications near the surface as well as e.g. trigger point therapy ₧

13 US- Υπέρηχοι Οι υπέρηχοι είναι μία από τις εφαρμογές της Φυσικής Ιατρικής, όπου χρησιμοποιούνται από ειδικούς για διαχείριση του πόνου και αύξηση της αιματικής ροής και κινητικότητας… Ultrasound therapy is one of the modalities of physical medicine which is used by specialists for pain management and for increasing blood flow and mobility… ₧

14 US- Υπέρηχοι Οι υπέρηχοι και τα κρουστικά κύματα διαφέρουν, παρά την ακουστική τους σχέση, βασικά διότι τα κρουστικά κύματα εμφανίζουν υψηλότερες τιμές πίεσης… Μία άλλη διαφορά είναι ότι ο υπέρηχος συνήθως συντίθεται από περιοδισμούς και περιορισμένο εύρος φάσματος, ενώ τα κρουστικά κύματα εμφανίζονται με έναν, κυρίως θετικής πίεσης παλμό, ο οποίος ακολουθείται από ένα συγκριτικά μικρότερο σε τάση κύμα.. Ultrasound and shock waves differ, despite their acoustic relationship, basically because shock waves appear large pressure amplitudes An other difference is that ultrasound usually consists of periodic oscillations with a limited bandwidth, whereas shock waves are represented by a single, mainly positive pressure pulse that is followed by comparatively small tensile wave ₧

15 US- Υπέρηχοι Ο υπέρηχος έχει συχνότητα πάνω από το εύρος των 20 kHz. Παράγει υψηλής συχνότητας μηχανικές δονήσεις, οι οποίες δημιουργούνται όταν η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε ακουστική, μέσω μηχανικής διαμόρφωσης ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου ο οποίος βρίσκεται μέσα στην κεφαλή (εύρος συχνοτήτων από 0.75 – 3MHz ) Ultrasound has a frequency above the range of 20 kHz. The ultrasound generates of high-frequency mechanical vibrations created when electrical energy is converted to acoustic energy through mechanical deformation of a piezoelectric crystal located within the transducer (frequency range of 0.75 – 3MHz ) ₧

16 Result Type of effect US- Υπέρηχοι Όταν χρησιμοποιούμε θεραπεία υπερήχων, εμφανίζονται δύο φαινόμενα στον υποκείμενο ιστό. Αυτά είναι, η θέρμανση του ιστού και το φαινόμενο δημιουργίας κοιλοτήτων… When we use US therapy, there can be two phenomena appear on the underlying tissues. These are, the tissue heating and the cavitation phenomenon … ₧

17 Thermal effect Increase in tissue extensibility Θερμική επίδραση Increase in blood flow Modulation of pain Mild inflammatory response Reduction in joint stiffness Reduction of muscle spasm Non-thermal effect Cavitation Μη θερμική επίδραση Acoustic microstreaming In combination may result in stimulation of: fibroblast activity, increase in protein synthesis, increased blood flow, tissue regeneration, bone healing ₧

18 Αν και δεν είναι πλήρως ξεκάθαρο ποιοι είναι οι μηχανισμοί που οδηγούν στα κλινικά ευεργετήματα της θεραπείας με ακουστικά κύματα, πιστεύεται πως είναι κύρια το αποτέλεσμα των άμεσων μηχανικών επιδράσεων στα κύτταρα αυξάνοντας την διαπερατότητά τους… Επίσης, ο τύπος της μηχανομεταδιδόμενης επίδρασης από τις ακουστικές διαφορές μεταξύ των κυττάρων και της περιβάλλουσας εξωκυττάριας ουσίας, η οποία έχει ως αποτέλεσμα εμφάνιση διατμητικών δυνάμεων στο κύτταρο … Although it is not fully clarified what the specific universal mechanism is that leads to the clinical benefits of WT, it is believed to result from direct mechanical effects on the cells to increase porosity; Also, a mechanotransduction type effect from the acoustic differences between cells and the surrounding extracellular matrix, which results in a shear stress on the cell… ₧

19 Η βίαιη κατάρρευση των φυσαλίδων που δημιουργούνται στις κοιλότητες και τα αποτελέσματά τους στα κύτταρα, καθώς και σε επίπεδο ιστού η αύξηση της Αγγειογέννεσης Κατά πόσον τα αποτελέσματα είναι άμεσα ή έμμεσα, η απελευθέρωση αυξητικών παραγόντων και η αύξηση της κυτταρικής δραστηριότητας, είναι υπεύθυνες για την Ιστογέννεση και τη διαδικασία ανάπλασης… the violent collapse of cavitation bubbles and their effects on cells; and on a tissue level due to increased angiogenesis Whether the effect is direct or indirect the release of growth factors and the upregulation of cell activity is responsible for the histeogenesis and repair processes … ₧

20 We investigated the effects of ESWT on rat hind limb tissue (skin, muscle, bone, vasculature);
3 # 8 wk old Female Rats (wt. 140 – 160gm), were subjected into three therapeutic sessions, 1week apart. The treatment head was aligned with the operational area (median ferum). 1000 shocks delivered at 0.15mJ/mm2 Sacrifice, fixation, decalcification, sectioning and staining Η/Ε, followed SoftTissues ₧

21 Normal leg full view 40x Full slide Nerve Skin Bone Muscle ₧

22 Normal bone trabeculae 40x Thin layer of cells = parenchyma 100x
Cortical bone Bone marrow Cortical bone Cortical bone Bone marrow ₧

23 Shocked cortical bone 100x 40x 200x
Dramatic increase in thickness of parenchyma (consistent with the other shocked sample) ₧

24 The results showed dramatic increase in thickness of parenchyma, reduction of trabeculae in bone marrow, increased osteoblast density in outer periphery of cortex, which lead to the evidence of new bone growth on outer periphery of cortex. No other peripheral tissue observations appeared… SoftTissues Div. HST – Harvard / MIT, Tissue Engineering Labs, VA Hospital, Boston ₧