Böbrek Taşı Nasıl Kırılır?

 

“Murat’ın babası bazı şikâyetlerinden dolayı yaptırmış olduğu tetkikler sonucunda

böbreğinde taş oluştuğunu öğrenir. Doktoru taşın kırılması gerektiğini söyler.” Öğrencilere

“Sizce böbrekteki taş nasıl kırılabilir?” sorusu yöneltilir. Öğrenci cevapları alınır. Daha sonra

Şekil 1 gösterilerek günümüzde böbrek taşlarının yaygın olarak bu tür makinelerle kırıldığı

söylenir. “Şekil 1’deki bu makinenin çalışma ilkesini tahmin edebilir misiniz?” diye sorulur.

Ayrıca bu makineyle operasyon yapılırken cerrahi müdahaleye (açık ameliyat) gerek olup

olmayacağı konusunda öğrenci fikirleri alınır.

 

Şekil 1’e bakarak öğrenciler fazla bir şey diyemiyorsa daha fazla ipucu vermek açısından taş

kırma seansının gerçekleştiği bir görüntü (Şekil 2) gösterilebilir. Öğrenci tahmin ve fikirleri

alındıktan sonra makinenin çalışma ilkesi ana hatlarıyla aşağıdaki gibi anlatılır.

Böbrek taşı kırma makinesinin (BTKM) 1980’de hizmete sunulmasından önce böbrek taşı

tedavisinde uygulanan tek yöntem açık ameliyat yapmaktı. Bu zamandan beri BTKM, böbrek taşı

tedavisinde üroloji doktorlarının tercih ettiği bir araç olmuştur. Açık ameliyat ve endoskopik

işlemlerle karşılaştırıldığında BTKM’nin vücuda minimum düzeyde olumsuz etkisi vardır. Ayrıca

hastalar anesteziye maruz kalmazlar.

BTKM’nin faydası, böbrek taşını böbrekte çok küçük parçalara ayırabilmesi ve bu

parçaların kendiliğinden idrar yollarından dışarı atılması şeklindedir. BTKM’nin oluşturduğu şok

dalgaları, vücutta bir nokta üzerine odaklanır.

Bu aşamada öğrencilere şok dalgasının ne olduğu ve ses ile ilişkisinin olup olamayacağı

sorulur. Öğrenci ön bilgileri alındıktan sonra sesin oluşumu ve nasıl yayıldığı, fen ve teknoloji

dersi ile 9. sınıf fizik dersine bağlantı yapılarak hatırlatılır. Ses dalgasının oluşturduğu sıkışma

ve genleşme bölgeleri Şekil 3 üzerinde gösterilir.

 

Jet uçakları üzerinden şok dalgasının oluşumu Şekil 4 eşliğinde

açıklanır. Uçağın her hızı için şok dalgasının oluşup

oluşmayacağı tartışılır. Bu bağlamda süpersonik kavramı

incelenir. Jet uçağının kendi çevresinde oluşturduğu bulutun

nedeni sorulur. Olayı daha somutlaştırmak için hız

motorlarının sudaki hareketinden kaynaklanan çemberlerin üst

üste binmesi sonucunda oluşan V şeklindeki dalgalarla

ilişkilendirme yapılır. Şok dalgası kulağa ulaştığında duyulacak

sesin şiddeti hakkında öğrenci fikirleri alınır. Bu kapsamda

sonik patlama olayı açıklanır. Daha sonra BTKM’nin

tanıtımına aşağıdaki gibi devam edilir.

Yumuşak dokular arasındaki yoğunluk farkının minimum olmasından dolayı şok

dalgaları, ihmal edilebilecek ölçüde enerji kaybı ile (yani vücuda zarar vermeden) vücutta ilerler.

Şok dalgasının akışkan ortamdan taş ortamına geçme anında oluşan yoğunluktaki göreceli büyük

fark, enerjinin büyük ölçüde taşa aktarılmasına neden olur. Bu enerji, taşın parçalanmasına yol

açar. Bu sürecin bu şekilde tekrarlanması, böbrek taşının sonunda çok küçük parçalara

ayrılmasına neden olur. Bu parçalar idrar ile genellikle ağrısız bir şekilde vücuttan atılır.

 

Bu aşamada öğrencilere “eğer şok dalgaları vücutta ilerlerken enerjilerinin büyük

kısmını vücuda iletselerdi bunun vücuda etkisi nasıl olurdu?” sorusu yöneltilir. Öğretmen

rehberliğinde tartışma yapılır ve cevaba ulaşılır. Daha sonra BTKM’nin tanıtımına aşağıdaki

gibi devam edilir.

BTKM dört ana bölümden oluşmaktadır. Bunlar; şok dalga üreteci (Şekil 1’deki 1 nolu

bölüm), odaklama sistemi (Şekil 1’deki 2 nolu bölüm), bağlantı mekanizması (Şekil 1’deki 3 nolu

bölüm), görüntüleme/yerini belirleme birimi (Şekil 1’deki 4 nolu bölümler).

Şok Dalga Üreteci

Şok dalgalar üç yolla oluşturulabilir. Bu yöntemler aşağıda kısaca açıklanmıştır.

Elektrohidrolik: İçi tamamen su dolu konteyner içine yerleştirilen bir elektrotun bir

tarafından diğer tarafına yüksek voltajlı elektrik akımı geçer. Enerji boşalımı, bir buharlaşma

baloncuğu oluşturur. Bu baloncuk giderek genişler ve aniden patlar. Böylece yüksek enerjili

basınç dalgası oluşturulur.

Piezoelektrik: Piezoelektrik etki, kristal yapıdaki cisimlerin kendilerine dışarıdan

uygulanan basınç sonucu elektrik üretmesidir. Curie kardeşler bunu ilk olarak 1880 yılında

gösterdiler. Sonraki yıl Gabriel Lippman, bu etkinin tersinirliğinin teorisini kurdu ve bu teori

sonradan Curie kardeşler tarafından doğrulandı. Piezoelektrik üreteci, bu tersinirlik etkisinin

faydasını kullanır. İçi tamamen su dolu konteyner içine yerleştirilen piezoelektrik seramikler veya

kristaller, yüksek frekanslı elektriksel atmalar yoluyla uyarılır. Bu uyarılmalar nedeniyle frekansı

yüksek olan titreşimler oluşur. Bu süreç, bir şok dalgasının oluşumu ile sonuçlanır.

Elektromanyetik: Elektromanyetik üreteçte yüksek bir voltaj, bir elektromanyetik bobine

uygulanır. Oluşan etki, hoparlörde oluşan etkiye benzerdir. Bu bobin, doğrudan veya ikinci bir

bobin vasıtasıyla hemen bitişiğindeki metalik zarda yüksek frekanslı titreşim oluşturur. Daha

sonra bu titreşimler, şok dalgaları oluşturması için dalganın ilerleyeceği ortama aktarılır.

Bu aşamada öğrencilere şok dalgasını veya daha genel anlamda ses dalgasını oluşturan

etkinin ne olduğu sorulur. Öğrencilerin her üç yöntemde de şok dalgalarının titreşim sonucu

oluştuğunun ve titreşimlerin de farklı yollarla oluştuğunun farkına varması sağlanır.

Odaklama Sistemi

Odaklama sistemi, üreteç tarafından oluşturulan şok dalgalarını eşzamanlı olacak şekilde

bir odak hacimde yönlendirme amacıyla kullanılır. BTKM’lerin çoğunda kullanılan temel

geometrik ilke, elips şekline ait olanıdır. Şok dalgaları, elipsin merkezinde (F1) oluşturulur ve

pirinç yansıtıcıdan yansımaları sonucu (F2) odak noktasında yakınsarlar (Şekil 5). Hedef bölge,

F2’deki taşın bulunduğu üç boyutlu alandır. Şok dalgaları bu alana odaklanır ve bunun sonucunda

böbrek taşında parçalanma gerçekleşir.

Kullanılan şok dalga üreteci türüne göre odaklama sistemleri farklılaşır. Elektrohidrolik

sistemler, elips ilkesini kullanır. Metal bir elipsoit, elektrot tarafından oluşturulan enerjiyi

yönlendirir. Piezoelektrik sistemlerde yarı-küresel bir kap içinde yerleştirilen seramik kristaller,

oluşturulan enerjiyi odak noktasına doğru yönlendirir. Elektromanyetik sistemlerde ise şok

dalgaları, ya bir akustik lensle veya silindirik bir yansıtıcı ile hedefe odaklanır.

Bağlantı Mekanizması

Dalga, bir ortamda ilerlerken yoğunluğu farklı bir ortamla karşılaştığında enerji aktarımı

gerçekleşir. Bunun gibi, deri yüzeyinden geçerken şok dalgasına ait enerji kaybını, bağlantı

mekanizmasının minimum düzeyde tutması gerekmektedir. Bağlantı mekanizmasında genelde

kullanılan ortam sudur. Çünkü suyun yoğunluğu yumuşak dokunun sahip olduğu yoğunluğa

benzerdir ve bol miktarda hali hazırda bulunmaktadır. Birinci kuşak BTKM’lerde hasta, bir su

küveti içine konuluyordu. İkinci ve üçüncü kuşak BTKM’lerde büyük su küvetleri yerine hasta

derisi ile hava temasını engellemek için üzeri silikon zarla kaplı içi su dolu küçük tamponlar

kullanılmaktadır. Bu yenilik, ilk kuşak makinelerde gerek duyulan anesteziye genellikle ihtiyaç

bırakmaz ve böbrekteki taşın tedavisini kolaylaştırmış olur.

Bu aşamada öğrencilere “Bağlantı mekanizmasında neden su kullanılır?” ve “Şok

dalgasının vücuda iletimi sırasında hava ile temas gerçekleşirse ne olur?” soruları yöneltilir.

Bağlantı mekanizmasındaki gelişim süreci dikkate alınarak fizik ve teknolojik gelişim arasındaki

ilişki irdelenir.

Görüntüleme/Yerini Belirleme Birimi

Görüntüleme sistemleri, taşın yerini belirlemek, şok dalgalarını böbrek taşı üzerine

yönlendirmek, tedavinin gidişatını izlemek ve taş parçalandıkça değişimler yapabilmek için

kullanılır. Böbrek taşının yerini belirlemede kullanılan yöntemlerden biri röntgen çekimi olarak

bilinen floroskopidir. Bu yöntemle bazı taşların görüntülenmesi mümkün olamamaktadır.

Diğer yöntem ultrason yöntemidir. Bu yöntemle yapılan taş kırma işlemi eş zamanlı

olarak görüntülenebilir. Bu görüntüleme yöntemini birçok ikinci kuşak BTKM

kullanabilmektedir. Ultrason yöntemi, bağırsaklardaki havanın araya girmesine bağlı olarak idrar

yolundaki taşların görüntülenmesinde teknik olarak kısıtlı bir yeteneğe sahiptir. Bu yöntemde

özellikle çok küçük taşların yerinin belirlenmesi zor olabilmektedir.

Bu aşamada öğrencilere bağırsaklarda hava olmasının görüntüleme yeteneğini neden

kısıtladığı sorulur. Ayrıca çok küçük taşların yerinin belirlenmesinin neden zor olduğu

konusunda öğrenci fikirleri alınır. Öğrencilerin gruplar halinde tartışması sağlanır. Birinci soru

ortam özeliklerinin şok dalgasının ilerlemesine ve yayılmasına etkisi ile ilişkilendirilir. İkinci

soru ses dalgalarının yansıma özeliği ile ilişkilendirilir.

Taş Nasıl Kırılıyor?

Şok dalgalarının sahip olduğu enerjinin taşa aktarılması sonucunda taş parçalanır.

Tamamen anlaşılamamasına rağmen parçalanmanın bazı yöntemlerin birleşimi neticesinde

olduğu düşünülmektedir. Bu yöntemler arasında sıkıştırma ve germe, erozyon, kesilme

(shearing), pul pul dökülme (spalling) ve oyuklaştırma (cavitation) yer almaktadır. Bunlardan en

önemli olanlarının sıkıştırma ve germe ile oyuklaştırma olduğu düşünülmektedir.

Bir şok dalgası, ortamda (su) ilerlerken yoğunluğu farklı bir ortama gelene kadar çok az

enerji kaybeder. Karşılaşılan ortam daha yoğun

ise yeni ortam üzerinde sıkıştırma etkisi oluşur.

Benzer şekilde eğer yeni ortam, daha az yoğun

ise birinci ortam üzerinde gerginlik etkisi oluşur.

Bir şok dalgası, taşın ön yüzeyine ulaşınca farklı

yoğunlukta bir ortama girmiş olur. Bu durum,

dalgaya ait bir kısım enerjinin taşa aktarılması

yoluyla sıkıştırma etkisi oluşturarak

parçalanmaya neden olur (Şekil 6). Şok dalgası

taşın içinden arka yüzeyine doğru ilerlerken

Şekil 6 büyük yoğunluktan küçük yoğunluğa geçiş(taştan doku ortamına geçiş) şok dalga enerjisinin bir bölümünü yansıtır. Bu durum germe etkisi

oluşturur. Bu etki de taşın parçalanmasına neden olur (Şekil 6).

Oyuklaştırma olayında, bir odak noktasında uygulanan şok dalga enerjisi, su buharı

baloncuklarının oluşmasına neden olur. Bu gaz baloncukları patlayarak sönerler. Patlama sonucu

oluşan mikro-fıskiyeler taşta aşındırma ve kırılmalara neden olur.

Her seans, 45 dakika ile bir saat arasında sürer. Bu süre içerisinde taşın durumuna göre

2000-8000 şok dalgası uygulanır. Her bir şok dalgası yaklaşık 15-20 kV enerjiye sahiptir.

BTKM’lerin Gelişim Süreci

Başlangıçta süpersonik uçakların parçalarını test etmek için tasarlanan Dornier HM3 adlı

araç, 1984 yılında ilk BTKM makinesi olarak sunulmuştur. Üzerinden çok vakit geçmesine

rağmen hala en etkili BTKM’lerden biridir ve diğer makinelerin karşılaştırılabileceği bir standart

olmuştur. HM3 aracının tasarımı, bir elektrohidrolik şok dalga üretecine dayanmaktadır. Şok

dalgaları, içi su dolu elipsoit bir metal küvet yardımıyla odaklanır. Hasta ve şok dalga üreteci su

altında kalacak şekilde küvete yerleştirilir. Hedef bölgesinde parçalanmayı bekleyen böbrek

taşının yerini belirlemek için iki düzlemli floroskopi kullanılır.

İkinci kuşak BTKM makineleri genellikle enerji kaynağı olarak piezoelektrik veya

elektromanyetik üreteçler kullanır. Uygun odaklama aracıyla eşleştiklerinde bu şok dalga

üreteçleri genellikle daha küçük odak bölgesine sahip olurlar. Daha küçük odak bölge

uygulaması, çevredeki dokulara olası zararı minimum düzeye indirmesine rağmen bazı

dezavantajları da içermektedir. Nefes alıp-verme süresince taş, odak bölgesine girip çıkacaktır.

Bundan dolayı taşın parçalanma oranında düşüş olabilmektedir. İkinci kuşak BTKM’lerde

bağlantı mekanizması, silikonla kaplanmış bir su yastığıdır. Bu su yastığı, tedavi sırasında

hastanın pozisyonunu oldukça kolaylaştıracak şekilde tasarlanmıştır.

En yeni kuşak BTKM’ler, daha fazla portatif ve uyum yeteneğine sahip olacak şekilde

tasarlanmıştır. Bu sistemler, görüntüleme işleminde genellikle floroskopi ve ultrason yöntemini

beraber kullanır. Her iki görüntüleme yöntemini de kullanabilme imkânı, üroloji doktorlarına her

yöntemin kendine ait olan eksikliğini ortadan kaldırma adına önemli bir fırsat sunmaktadır.

Günümüzde birçok BTKM, elektromanyetik üreteç kullanmaktadır. Elektromanyetik

üreteçler ve onların odaklama üniteleri, yoğunluğu HM3’ünküne benzer şok dalgaları

üretebilmektedir. Fakat bu şok dalgaları daha küçük bir odak bölgeye yayılabilmektedir.

Yukarıda bahsedildiği gibi bu durum, çevredeki yumuşak dokuya olabilecek zararı minimize

edebilecek bir avantaja sahiptir. Fakat odak bölgesinin daha küçük olmasından dolayı solunum

yapıldıkça, tedavinin bazı bölümlerinde taşın odak bölge dışına çıkması söz konusudur. Bunu

yenmek için daha gelişmiş yer belirleme teknikleri kullanılabilmesine rağmen taşlar hedef bölge

dışında iken uygulanan şok dalgaları parçalanmaya neden olmaz. Bu yüzden bazı ikinci ve

üçüncü kuşak BTKM makineleri daha yüksek başarısızlık oranına sahip olup bazı tedavileri

sonuçlandıramamaktadır. Dolayısıyla bu makinelerin yeniden gözden geçirilip geliştirilmesi

ihtiyacı doğmaktadır.Bu aşamada öğrencilere aşağıdaki problem durumu sunulur.

Problem: Siz ve ekibini, medikal sektörde faaliyet gösteren büyük bir firmanın araştırmageliştirme

bölümünde çalışmaktasınız. Üroloji doktorlarından BTKM makinelerinin yukarıda

sözü edilen eksikliklerini gidermeye yönelik yoğun talepler gelmektedir. Firma yönetimi,

ekibinizden bu eksikliklerin giderildiği yeni bir BTKM model önerisi sunmanızı istemektedir. Bu

durumda çözüm öneriniz ne olur? Bu alanda faaliyet gösteren birçok ulusal ve uluslararası firma

olduğundan bu problemin çözümüyle ilgili büyük bir rekabet içinde olduğunuz ve

çalışmalarınızda buna göre hareket etmeniz firma yönetimi tarafından vurgulanmaktadır. Çözüm

öneriniz aşağıdaki ölçüt listesine göre değerlendirilecektir.

ÖLÇÜT LİSTESİ

Ölçütler Puan

Ses dalgası fiziğine dayalı olması zorunlu

İlgili problemlerle bire bir ilişkili olması zorunlu

Ekonomik olması 10

Uygulanabilir (pratiğe dökülebilir) olması 10

Kullanılan fizik ilke ve kavram sayısı her biri 10 puan

Fizik ilke ve kavramlarının doğru kullanılması 30

Çözüm önerisinin şekil, resim, grafik vb. görsellerle desteklenmesi 10

Çözüm önerisinin anlaşılır bir şekilde sunulması 10

Çözüm önerisinin olası eksiklik ve sınırlılıklarını belirtme 10

Öğrenciler 9. sınıf fizik öğretim programında ayrıntısıyla verilen Probleme Dayalı

Öğretim Yöntemi’nin basamaklarını uygulayarak probleme çözüm önerisi sunmak için gruplar

halinde çalışırlar. Her grup bir firmayı temsil eder. Her grubun farklı ülkeden bir firmayı temsil

etmesi problem durumunu daha gerçekçi yansıtabilir. Süreç sonunda bilim ve teknolojide ilkleri

gerçekleştiren ülkelerin ne tür kazanımları olduğu/olacağı ve bu bağlamda ülkemiz adına

bireyler olarak bizlerin neler yapabileceği tartışılır.

Yukarıdaki problem durumunun sunumundan sonra, etkinlik girişinde Murat’ın babasının

böbrek rahatsızlığıyla ilgili verilen senaryoya aşağıdaki gibi devam edilir.

Problem 2:“Murat’ın babasının tedavi süresince tek şikâyeti kulaklarından oldu. Çünkü

makine çalışırken yaklaşık olarak saniyede iki kez “tık” şeklinde oldukça şiddetli ses çıkarıyordu.

Her seans 45 dakika civarında sürdüğünden kulakları bu sesten çok rahatsız olmuştu. Babasının

yanında bekleyen Murat’ın da kulakları benzer şekilde rahatsız olmuştu. Hatta Murat, ara sıra

koridora çıkıp kulaklarını dinlendiriyordu.”

Öğrenciler senaryonun bu bölümünde makineden çıkan şiddetli sesin kulakları rahatsız

etmesi problemi ile yüzleştirilir. Öncelikle makineden bu tür şiddetli sesin nasıl çıktığı, sesin nasıl

oluştuğu sorgulaması öğrenciler tarafından yapılır. Daha sonra öğrenciler gruplara ayrılarak

makineden çıkan şiddetli ses nedeniyle hastaların kulaklarında oluşan rahatsızlığı gidermeye

yönelik bir çözüm önerisi bulmaya çalışır. Gruplar, Probleme Dayalı Öğretim Yöntemi’nin

basamaklarını uygulayarak çalışmalarını sürdürür. Çözüm önerileri yukarıdaki ölçüt listesine

göre değerlendirilir. Çözüm önerisi konusunda fikir geliştiremeyen gruplara öğretmen aşağıdaki

önerileri sunarak yardımcı olabilir: Hastaya müzik dinletmek, yüksek sesi önleyici kulaklıklar

takmak, makinenin bulunduğu odayı ses enerjisini soğuracak şekilde tasarlamak, vb.

{GERİ}