Физические основы воздействия звука на биологические ткани. Применение ультразвуковых исследований в медицине

Введение

Ультразвук в настоящее  время находит широкое применение во всех сферах деятельности человека, включая медицину и экологию. Биологическое действие ультразвуковых волн связывают с явлением кавитации, возникающим в жидких средах при распространении в них ультразвука. Известно, что в каждом месте среды, куда приходит звуковая волна, наблюдаются периодические сжатия и разрежения. Фаза сжатия сопровождается большими давлениями. В следующий за сжатием момент разрежения из-за больших скоростей движения частиц в жидкости возникают разрывы. В образующиеся пустоты и устремляются пузырьки воздуха, а вместе с ним и пары жидкости. Когда вновь наступает фаза сжатия, внутри жидкости развиваются большие давления. Этот процесс и называется кавитацией. Огромные давления в фазе сжатия и ускорения, вызываемые ультразвуковыми волнами, разрушают не только твердые и жидкие тела, но и микроорганизмы – бактерии. Практически все бактерии, вызывающие заболевания человека, гибнут под действием ультразвука, если только они предварительно были выделены из организма. Именно поэтому было предложено применить ультразвук в экологии для обезвреживания воды и различных пищевых продуктов. Практически очень важно то, что, пропуская ультразвук через жидкость, содержащую бактерии, вызывающие заболевания, можно приготовить лечебные сыворотки, повышающие сопротивляемость человека болезни, сообщающие ему невосприимчивость, или иммунитет к данному заболеванию. Подвергая ультразвуковому воздействию бактерии, можно выделить из них особые характерные яды – токсины.

Разрушительное действие ультразвука распространяется и на вирусы, вызывающие многие опасные заболевания. Так, например, удалось ослабить вирус, вызывающий сыпной тиф, действуя ультразвуком в течение всего одной секунды. Положительные результаты дали опыты по стерилизации питьевой воды. Производились удачные попытки стерилизации пищевых продуктов (например, при изготовлении консервов). Преимущество облучения ультразвуком заключается в том, что консервируемый продукт не должен подвергаться, как это обычно делается, нагреву до высокой температуры, а следовательно, его вкусовые качества остаются достаточно высокими. Интересны опыты пастеризации и гомогенизации молока. Результаты превзошли все ожидания: ультразвук не только уничтожил микробы, но и сильно размельчил и раздробил капельки жира, содержащегося в молоке, вследствие чего такое молоко стало значительно лучше усваиваться организмом.За последнее время ультразвук с успехом начинают применять в медицинской практике для лечения и диагностики различных болезней. Такое лечение оказывает эффективное действие при целом ряде заболеваний. Особенно хорошо ультразвук действует при заболеваниях периферической нервной системы (при воспалении седалищного и тройничного нервов, невралгии и т. д.). Болевые ощущения исчезают после первых же сеансов, а через некоторое время наступает полное излечение. В настоящее время еще достаточно полно не выяснен лечебный эффект ультразвука, но уже установлено, что на ткани человека он оказывает механическое, химическое и тепловое действие. Проявляется это в резкой вибрации тканей и химических реакций, которые развиваются в результате молекулярной и коллоидно-химической перестройки. При сравнительно небольших интенсивностях ультразвуковые колебания вызывают очень интенсивное «встряхивание» тканей и являются эффективной формой «микромассажа». На протяжении ряда десятилетий широкое применение в медицинской диагностике находят методы ультразвуковой эхолокации для наблюдения в реальном режиме времени практически за всеми внутренними органами человека, что позволяет обнаружить деструктивные изменения на ранних стадиях развития болезней. Ультразвуковые датчики (давление, скорость движения, расход и т. п.)находят применение и в решении задач мониторинга окружающей среды. Такой широкий спектр применения ультразвука в экологии и медицине требует обязательного изучения физических основ ультразвуковойтехники и перспективных направлений ее практического применения студентами экологических специальностей.

Звук. Объективные  и субъективные характеристики звука

Звуковыми волнами или  просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом. Диапазон звуковых частот лежит в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Волны  с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, а с частотой более 20 кГц –  ультразвуком. Волны звукового диапазона  могут распространяться не только в  газе, но и в жидкости (продольные волны) и в твердом теле (продольные и поперечные волны). Однако волны  в газообразной среде – среде  нашего обитания – представляют особый интерес. Изучением звуковых явлений занимается раздел физики, который называют акустикой.

Объективные и  субъективные характеристики звука

Историческая  справка.

Первые работы по Ультразвук были сделаны ещё в 19 в. Французский учёный Ф. Савар (1830) пытался установить верхний предел по частоте слышимости уха человека; изучением Ультразвук занимались английский учёный Ф. Гальтон (1883), немецкий физик В. Вин (1903), русский физик П. Н. Лебедев и его ученики (1905). Существенный вклад был сделан французским физиком П. Ланжевеном (1916), который впервые использовал пьезоэлектрические свойства кварца для излучения и приёма Ультразвук при обнаружении подводных лодок и измерениях глубин моря. Г. В. Пирс в США (1925) создал прибор для измерения с большой точностью скорости и поглощения Ультразвук в газах и жидкостях (так называемый интерферометр Пирса). Р. Вуд (США) (1927) добился рекордных для своего времени интенсивностей Ультразвук в жидкости, наблюдал ультразвуковой фонтан и исследовал влияние Ультразвук на живые организмы. Советский учёный С. Я. Соколов в 1928 положил начало ультразвуковой дефектоскопии металлических изделий, предложив использовать Ультразвук для обнаружения трещин, раковин и др. дефектов в твёрдых телах.

  В 1932 Р. Люка и  П. Бикар во Франции, П. Дебай и Ф. В. Сирс в Германии обнаружили явление дифракции света на ультразвуковых волнах, которое далее начинает играть большую роль в изучении структуры жидких и твёрдых тел, а также в ряде технических приложений. В начале 30-х гг. Х. О. Кнезером в Германии было открыто аномальное поглощение и дисперсия Ультразвук в многоатомных газах; далее это явление было также обнаружено в ряде сложных (например, органических) жидкостей. Правильное теоретическое объяснение этим релаксационным явлениям было дано в общей форме советскими учёными Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Релаксационная теория явилась впоследствии основой молекулярной акустики.

  В 50—60-х гг. широкое  развитие получают различные  промышленные технологические применения  Ультразвук, в разработку физических  основ которых в СССР был сделан большой вклад Л. Д. Розенбергом и его сотрудниками. Получение всё больших интенсивностей Ультразвук обусловило изучение особенностей распространения мощных волн Ультразвук в газах, жидкостях, твёрдых телах; быстро развивается нелинейная акустика, в становлении которой большую роль сыграли работы советских учёных Н. Н. Андреева, В. А. Красильникова, Р. В. Хохлова и др., а также американских и английских учёных.

  В 70-х гг., в особенности  после работы Хадсона, Мак-Фи и Уайта (США) (1961), обнаруживших явление усиления и генерации Ультразвук в пьезополупроводниках, быстро развивается акустоэлектроника.

Физические характеристики ультразвука.

Термин «ультразвук» означает «неслышимый» звук. Некоторые животные в отличие от человека имеют повышенный диапазон слышимости, так собака воспринимает звуки с частотой до 40 кГц, летучая  мышь—до 70 кГц, дельфин—до 120 кГц последние  два вида животных могут излучать ультразвуки.

Ультразвуковые волны  распространяются только в материальной среде. Они характеризуются—длиной волны частотой (f) и скоростью распространения (С). Длина волны выражается отношением скорости распространения к частоте колебания.

Ультразвуковые колебания  низкочастотного диапазона (пограничные  с ультразвуковыми) будут приближаться по своим физическим свойствам к звукам и, наоборот, у высокочастотных ультразвуков появляются особенности, не свойственные звукам. Ультразвуки имеют сравнительно небольшую длину волны, уменьшающуюся с повышением частоты. Если длина звуковых волн в воздухе от 20 гЦ до 20 тыс. гц в пределах 17 м—1,7 см, то на верхней границе ультразвукового диапазона, частоте 109 см она уменьшается до 10-5 см Частотная характеристика и длина волны в значительной мере определяет особенности распространения колебаний в окружающей среде. Если низкочастотные ультразвуки обладают способностью распространяться в воздушной среде, то ультразвуки высокой частоты практически в воздухе не распространяются. При короткой длине волны ультразвуки могут фокусироваться и направляться линейным пучком.

С уменьшением длины волны  снижается ее способность к дефракции, что создает благоприятные условия для экранирования. Ультразвуковые волны могут распространяться в газообразной, жидкой и твердой средах. Скорость распространения в них различна и зависит от свойств среды—плотности, упругости, вязкости, температуры. В плотной среде ультразвуки распространяются медленнее. Однако основную роль играет упругость. Если вещество обладает большой упругостью то даже при большей плотности скорость распространения в нем будет больше, чем в вещстве менее плотном и менее упругом. Например, в воде ультразвуковые колебания распространяются значительно быстрее, чем в воздухе. Скорость распространения ультразвука в тканях человека и животных согласно Людвига (1950 г.) колеблется от 1490 до 1610 м/с то есть почти не отличается от скорости распространения ультразвука в воде.

Существенное влияние  на скорость ультразвука оказывает  температура среды, так при повышении  температуры воздуха на 1° скорость увеличивается на 0,5 м/с.

Помимо указанных параметров (частоты, длины волны и скорости) ультразвук характеризуется интенсивностью. Интенсивность, или сила звука, это  количество энергии в 1 Вт проходящей через поверхность площадью в 1 см2 за 1 с.

При распространении ультразвуковых колебаний в воздушной среде  их характеризуют по аналогии со звуками  в единицах звукового давления, выраженных в децибелах (дБ). В настоящее время  применяются специальные устройства, в которых используются пьезоэлектрический, магнитострикционный, электродинамический, аэро- и гидродинамический эффекты.

Биологическое воздействие ультразвука.

Попадая в живой организм, ультразвук оказывает на него биологическое  воздействие, которое не ограничивается влиянием только на облученные органы или ткани. Несмотря на то, что физическое и химическое воздействие ультразвука  само по себе не объясняет механизма  его комплексного влияния, эти воздействия  следует учитывать. Мы уже рассматривали  механическое воздействие и установили, что при облучении ультдазвуком обычной интенсивности хотя и производится микромассирующее воздействие на клетки, но его эффект незначителен. Разумеется, с повышением интенсивности ультразвука механическое воздействие может привести даже к повреждению ткани. Это явление и применяют в ультразвуковой нейрохирургии, где с помощью фокусированного излучения интенсивностью примерно 1000 Вт/см2 разрушают больные нервные ткани, опухоли.

Более важным, чем механическое, является тепловое воздействие. Поскольку  поглощение ультразвука в тканях человека характеризуется коэффициентом  приблизительно 0,33 (т. е. 33% на 1 см), то одна треть энергии ультразвука, проходящая через сантиметровый слой, преобразуется  в тепло, а две трети проникает  дальше, чтобы вызвать в более  глубоких слоях механический и тепловой эффект. Ясно, что в тканях, находящихся  на различной глубине, повышение  температуры под влиянием излучения  различно и тем меньше, чем глубже. А поскольку коэффициент поглощения тканей разный, поэтому и степень  нагревания тоже различна, и бывает, что в ткани, находящейся глубже и обладающей большей поглощающей  способностью, в тепло превращается больше ультразвуковой энергии, чем  в слоях над ней, несмотря на то, что интенсивность ультразвука  в глубине уже существенно  меньше. Как показывают опыты, при  ультразвуковом облучении имеет  место и химическое воздействие. И хотя эксперименты дают убедительный ответ еще не на все вопросы, есть полная уверенность в том, что  облучение ультразвуком ускоряет процессы диффузии в клетках, способствует деполимеризации крупномолекулярных белков, ускоряет процессы биохимического окисления и т. д.

Для генерации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический эффект. Если подавать на некоторые  кристаллы ВЧ напряжение, то они  начинают колебаться в такт изменению  напряжения. Пьезоэлектрические свойства отдельных материалов выражены весьма ярко и эти материалы совершают колебательные движения с большой амплитудой, иначе говоря, они преобразуют введенную электрическую энергию в энергию механических колебаний с большим к.п.д. Замечательными пьезоэлектрическими свойствами обладает кристалл кварца, вырезанный в соответствии с определенными кристаллографическими осями. Раньше ультразвуковые излучатели делали из кристалла кварца. Однако так как для возбуждения кварца нужно высокое напряжение, в настоящее время перешли к применению керамики из титаната бария. Для возбуждения колебаний преобразователи иэ этого материала требуют напряжения до 100 В. Недостатком таких преобразователей является то, что их свойства начинают изменяться при температуре 120...130°С. Поэтому головку из титаната бария необходимо охлаждать. Прежде для этой цели использовали воду, однако это создавало много неудобств. С помощью охлаждающих ребер можно добиться устойчивой работы излучающей головки терапевтического аппарата и при естественном воздушном охлаждении (рис. 41). ВЧ напряжение, необходимое для возбуждения пьезоэлектрической излучающей головки, обеспечивает специальный генератор. В терапии применяют кристалл с максимальной поверхностью 10 см .Современные аппараты позволяют получить интенсивность ультразвука 2 Вт/см2. При этом генератор должен иметь мощность, в несколько раз превышающую 10 Вт с учетом коэффициентов преобразования и вывода мощности. В зависимости от режима работы генератора преобразователь формирует непрерывные или импульсные волны. Импульсный режим работы позволяет использовать для терапии более интенсивный ультразвук без чрезмерного перегрева облучаемых тканей.

По расположению головки, излучающей ультразвук, различают три  способа лечения. При контактном лечении колеблющуюся поверхность  слегка прижимают к коже так, чтобы  головка прилегала всей поверхностью. Воздушный слой между поверхностью тела и головкой перед процедурой следует заполнить какой-либо передающей жидкостью, например парафином, иначе  ультразвуковые колебания отразятся  на граничной поверхности преобразователь—воздух. Если из-за неровности поверхности  тела ультразвуковую головку нельзя прижать всей поверхностью к телу (например, на пальцах или щиколотке) или если размещение головки причинило  боль, то контактное лечение нельзя применять. В таких случаях прибегают  к лечению в водяной ванне. Облучаемая часть тела опускается в  воду, нагретую до температуры тела и дегазированную кипячением. Головка  размещается в 2...3 см от облучаемого  участка тела. В этом случае ультразвуковая энергия передается воде и через  нее воздействует на облучаемые ткани. При выборе направления излучения  необходимо следить за тем, чтобы  под действием отражения от стенок ванны в тканях не возник ультразвук с интенсивностью, превышающей допустимые нормы.