Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

Цианакрилат и некоторые другие клеи используются и хирургии дл я склеивания резаных ран, герметизации швов и в ряде других случаев. Однако между пленкой клея и тканыю начинают размножаться болезнетворные микробы, вызывая раздражение, нагноение и другие патологические и зменения. Воздействие низкочастотным у льтразвуком на клей способствует его внедрению в ткань и подавлению микрофлоры. Кроме того, ультразвук ускоряет полимеризацию клея, и соединение получается прочным. Метод склеивания мягких и костных тканей в ультразвуковом поле получил название ультразвуковой сварки. Использование этого метода значительно снижает вероятность послеоперационных осложнений. Пионерами разработки метода были ученые МГТУ им . Н.Э. Баумана.

Увеличение проницаемости клеточных мембран в тканях, подверг шихся действию ультразвука, не только способствует ускоренному введению лекарс твенных веществ в ткани, но и их депонированию.

Рис. 4.1. Увеличение проницаемости клеточных мембран в ткани клубня картофеля вдоль разрезов, произведенных ультразвуковым скальпелем (22 КГц) при температурах:

Амплитуда колебаний режущей кромки инструмента:

1 - 0 мкм; 2 - 10 мкм; 3 - 2 0 мкм; 4 - 40 мкм; 5 - 60мкм

Как известно, увеличение проницаемости цитоплазматическом оболочки - одно из начальных звеньев цепочки реакций, возникающих в клетках, тканях, органах и организме в целом (см. подразд. 3.2.7). Очевидно, что отдельными звеньями этой цепочки являются изменения активности ряда ферментов, обнаруженные в тканях, окружающих операционное поле. К так им ферментам относятся кислая фосфатаз а гистиоцитов, щелочная фосфагаза и цитохромоксидаза лейкоцитов, цитохром-С макрофагов, НАД-Н и TOИ фибробластов, щело чная фосфатаза и АТФ-аза эндотелия капилляров, ацетилхолинэстераза нервных волокон и окончаний. Происходят т акже изменения в структуре и свойствах клеточных органелл, расширение кровеносных сосудов, увеличение кровоснабжения и, как следствие, ускорение репаративных и регенеративных процессов, а также обезболивание, по вышение сопротивляемости организма бол езнетворным микробам, заживление ран без грубых рубцов, нормализация функ ций организма в целом.

При повышении амплитуды колебаний ультразвукового хирургического инструмента возрастает и амплитуда поверхностных сдвиговых колебаний, и соответственно увеличиваются потери энергии на границах сред, отличающихся п о своим сдвиговым ха- рактеристикам. Чем больше различия в этих характеристиках, тем больше потери акустической энергии, и тем больше теплоты выделится на границ е сред.

Например, при практически равных объемно-упругих свойствах модули сдвига здоровых и патологических тканей могут быть больше или меньше в несколько раз. Это позволяет, используя специальные инструменты дезинтеграторы, производить селективную дезинтеграцию папиллом, ангиом, гемангиом и других новообразований до состояния аэрозоля, не нарушая целостности здоровых тканей.

Селективность ультразвукового разрушения наглядно проявляется на модели, состоящей из двух соприкасающихся слоев, например желатинового или агарового геля. Чем больше отличаются эти слои по содержанию воды, тем больше различие в их сдвиговых характеристиках. Результаты экспериментов на двухслойных гелях качественно совладают с результатами разрушения новообразований, граничащих со здоровой тканью. Механизм селективной ультразвуковой дезинтеграции новообразований может быть представлен в виде следующей цепочки: появление интенсивных сдвиговых волн на границе между слоями, отличающимися по модулю сдвига —> образование в зоне раздела разрывов, заполняемых микропузырьками газа рост и раскачка газовых пузырьков, приводящие к возникновению дополнительных разрывных усилий —> появление газовой фазы между слоями, локализующей ультразвуковое воздействие в пределах одного слоя— > селективная дезинтеграция.

Очевидно, что эффективность ультразвукового разделения слоев двухслойной полужидкой структуры и селективность разрушения слоя, в который введен волновод, зависят от различий в модулях сдвига утих слоев.

Способность ультразвука при достаточно высокой плотности энергии разрушать клетки тканей, эмульгировать жир, снижать эффективную вязкость веществ используется в липосакции - вакуумном удалении подкожного жира после его ультразвуковой дезинтеграции. Этот метод сегодня наиболее популярен при проведении хирургической коррекции фигуры. Последние исследования показали, что дезинтегрированный ультразвуком подкожный жир вовсе необязательно удалять искусственно. Он сам в течение нескольких дней всасывается в кровь без каких-либо дополнительных процедур или применения лекарственных препаратов и выводится естественным путем. Ультразвуковой метод одновременно подтягивает кожу делает се гладкой и эластичной.

Если твердое тело или ткань граничат с жидкой средой - водой, физиологическим раствором, раствором антибиотиков или других лекарственных веществ, то ультразвук вызывает в жидкости на границе раздела появление интенсивных потоков с большими градиентами скоростей. В результате этого поверхность очищается, а вещество из раствора быстро диффундирует в ткань. Этот эффект широко используется в хирургии для мытья медицинских инструментов, рук хирурга-оператора, для санитарной обработки полостей и ран,

Для санации полостей в организме или глубоких ран их заполняют раствором антибиотика и погружают в раствор ультразвуковой инструмент - дезинтегратор, рабочая часть которого представляет собой цилиндрический волновод диаметром в 3...5 мм. Для предотвращения травмирования инструментом слизистых оболочек в закрытых полостях, где визуальный контроль затруднен или невозможен, рабочий конец волновода ограждают устройством из крупноячеистой защитной сетки.

Если необходимо санировать поверхностные раны, то вокруг них выкладывают стенку из размягченного пчелиного воска или прижимают к коже, окружающей рану полый пластмассовый или стеклянный цилиндр, в который и наливают раствор антибиотика.

Иногда обработку раны проводят, постоянно подавая раствор лекарственного вещества так, чтобы слой раствора оказывался между волноводом и раневой поверхностью.

Под влиянием колеблющегося ультразвукового инструмента, введенного в раствор, в нем возникают неустойчивые кавитационные полости. Пульсации и схлопывание этих полостей приводят к появлению энергичных микротечений и ударных волн. Эта совокупность кавитационных эффектов обеспечивает смыв с поверхностей полостей и ран отмерших частиц тканей, фибринозных и других отложений, а также клеток болезнетворных микроорганизмов. Часть микроорганизмов разрушается в кавитирующей жидкости, часть гибнет под действием растворенного антибиотика.

Следует отметить, что после воздействия ультразвуком жизнеспособность оставшихся целыми бактериальных клеток заметно подавляется, резко снижается их способность размножаться и образовывать колонии, в 2-4 раза увеличивается чувствительность к действию большинства антибактериальных препаратов.

Обработка низкочастотным ультразвуком раневых поверхностей и слизистых оболочек через растворы фармакологических препаратов приводит не только к очистке и обеззараживанию поверхностей, но и к фонофорезу и депонированию лекарственных веществ в тканях. Кроме того, благодаря сосудорасширяющему действию ультразвука улучшается снабжение тканей кровью, ускоряются обменные процессы, активируются макрофаги, сокращаются сроки заживления ран, уменьшается вероятность осложнений. Например, при кишечнополостных операциях санация полости более чем вдвое сокращает число случаен гибели от перитонитов.

Совокупность эффектов, обусловливающих полезные свойства ультразвуковых инструментов, стала основой их применения в стоматологической практике. Ультразвук, использованный впервые в 1955 г. для удаления зубных камней, в дальнейшем стали применять для очистки, санации и шлифовки поверхности зубов. Разработаны специальные стоматологические методы фонофореза и электрофонофореза, позволяющие существенно повысить концентрацию лекарственных веществ в тканях, окружающих корень зуба.

Традиционные ультразвуковые инструменты оказались весьма полезными и удобными при челюстных операциях. Их кровоостанавливающее и аналгезирующее действие ярко проявляется при операциях на пронизанной кровеносными сосудами и богатой болевыми рецепторами слизистой рта.

Ультразвуковые ванны широко используются для санитарной очистки стоматологических инструментов, изделий зубных техников и т.д. Следует отметить и появление ультразвуковых зубных щеток, легко очищающих даже стойкий налет с поверхности зуба.

Применение низкочастотного ультразвука также весьма перспективно в ветеринарной хирургии. Наряду с использованием хирургического инструмента для оперативных вмешательств, санации ран и полостей, ускорения полимеризации биологических клеев для бесшовного соединения краев ран представляет интерес использование специальных ультразвуковых ванн для лечения ряда болезней копыт и копытец, приносящих ощутимый урон промышленному животноводству.

4.2. ХИРУРГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ФОКУСИРОВАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОМ НА ВНУТРЕННИЕ СТРУКТУРЫ ОРГАНИЗМА

Фокусированный ультразвук нашел применение в медицинской хирургической практике для решения ряда специфических задач. В практической ветеринарии он пока не используется, поскольку это требует стационарных условий и специальной техники. В то же время воздействие фокусированным ультразвуком широко прим еняется в практической медицине д ля разрушения небольших образований в глубине организма без травмирования окружаю щих тканей и нарушения целостности кожных покровов, а также в экспериментальной биологии для получения информации, необхо димой при разработке новых методов диагности ки и лечения.

4.2.1. Фокусирование ультразвука

Интенсивность ультразвука, излучаемого пьезопреобразователями, обычно не превышает 10 Вт/см2, поэтому если в некотором ограниченном объеме требуется получить ультразвук более высоких интенсивностей, его фокусируют, используя излучатели с вогнутой поверхностью, вогнутые отражатели ультразвука, ультраз вуковые линзы или системы, состоящие из не скольких отдельных излучателей, управляемых с помощью компьютера и расположенных так, чтобы излучаемые ими ультразв уковые лучи пересекались в нужном месте пространства. Чаще всего используют керамический излуча- тель, представляющий собой часть сферы и фокусирующие ультразвуковую энергию в области центра кривизны излучающей поверхности (рис. 4,2).

Фокальная область представляет собой эллипсоид вращения, вытян утый в направлении распространения ультразвуковых поли. Диаметр фокального пятна зависит от частоты ультразвука и уменьшается с ее увеличением. Теоретически в сред е, не поглощающей ультразвук, через фокальную область проходит не более 84% энергии от излучателя.

Очевидно, что в тканях, коэффициент поглощения которых всегда отличен от нуля, эта величина еще меньше.

Рис. 4.2. Геометрические характеристики сферического излучателя и фокусированного ультразвукового ноля: R - радиус излучателя; F - фокусное расстояние; h - глубина; угол раскрытия; r и I ради ус и длина фокальной области соответственно

Точная форма области разрушения ткани зависит от ее структуры и свойств. В однородной ткани очаг р азрушения по форме напоминает эллипсои д. Если же облучаемый участок состоит из различных тканей, отличающихся чувствительностью к ультразвуку, то предсказ ать заранее форму пораженной зоны оказы вается весьма непросто. При воздейств ии на мозг, например, селективно может быть разрушено белое вещество, так как серое вещество и сосудистая система менее чувствительны к ультразвуку.

В последнее время в практику входят также фазированные решетк и-излучатели, содержащие ряд отдельн ых пьезоэлементов, возбуждаемых поочередно в соответствии с особым алгоритмом. Так ие электронно-управляемые решетки позволяют фокусировать ультразвук в нужном месте пространства.

Современные фокусирующие системы позволяют получать в фока льной области ультразвук с интенсивнос тью, измеряемой десятками тысяч Вт/см2 ,

Характеристики ультразвука в фокальной области легко оценить, зная размеры и радиус кривизны керамического преобразователя, а также частоту ультразвука и его интенсивность у излучающей поверхности. Так, радиус фокальной области определяют по формуле

Где F расстояние от фокальной области до излучателя;

R - радиус кривизны излучателя;

- длина ультразвуковой волны.

Длину фокальной области рассчитывают по формуле

где - угол раскрытия излучателя.

Интенсивность в фокальн ой области

Если угол раскрытия не превышает 450 то максимальная интенсив ность в центре фокальной области:

Сходясь в фокусе, ультразвуковые волны затем расходятся вновь. При этом знак кривизны фронта волны меняется на обратный (рис. 4.3). В самой фокальной области волну можно считать практически пло ской и использовать для расчетов известн ые соотношения для плоской волны (см. §§ 1,1 ; 1,2).

Фокальную область излучателя совмещают с участком, который необходимо разрушить, используя стереотаксиче скую установку.

Воздух между излучателе м и тканью, как известно, является непреодолимой преградой для ультразвука. Поэтому пространство между излучателем и поверхностью заполняют жидкостью в мешочке из тонкой резины. Чаще всего в качестве ко нтактной жидкости используют дегазированн ую воду. В такой воде под действием ультразвука не выделя- ются пузырьки газа, поглощающие акустическую энергию.

Биологические эффекты существенно зависят от интенсивности фокусированного ультразвука, а измерить и нтенсивность в фокусе весьма непросто. Поэтому ее измеряют обычно в воде, акустические

Рис. 4.3. Изменение знака кривизны фронта волны при переходе через фокус

характеристики которой близки к характеристикам биологических сред. Разработано много методов измерения интенсивности ультразвука, в том числе и фокусированного, но удобнее всего пользоваться радиометрическим методом, с помощью которого измеряют давление звука на пластинку, подвешенную к коромыслу весов и опущенную в воду.

Общая мощность излучателя W связана с действующей на поверхность пластинки силой F простым соотношением отражающей поверхности и соотношением поглощающей поверхности. Если силу измерять в граммах, то Средняя интенсивность в фокальной области

где - площадь поперечного сечения фокальной области. Коэффициент 0,84 указывает на то, что в фокальную область попадает 84 % всей энергии, излучаемой преобразователем.

4.2.2. Биологическое действие фокусированного

ультразвука

Действие фокусированного ультразвука на клетки и ткани обусловлено теплотой, выделяющейся при поглощении акустической энергии, и механическими возмущениями в среде. Оба фактора действуют совместно, однако, в зависимости от интенсивности ультразвука и условий воздействия, один из них может превалировать над другим.

Необходимо отметить, что порога биологического действия плоской ультразвуковой волны значительно ниже порогов действия фокусированного ультразвука на те же

структуры. По-видимому, это обусловлено сравнительно малым объемом фокальной области. Известно, например, что кавитационная прочность воды и мягких биологических тканей при фокусировании ультразвука и уменьшении размеров области воздействия резко возрастает (см. § 1.13).

При относительно малых интенсивностях в фокальной области (0,4...300 Вт/см2) и импульсном режиме воздействия можно наблюдать возбуждение одиночных тканевых рецепторов и возникновение спайковой активности у черноморских скатов, раздражение центральных нервных структур виноградной улитки, слуховых рецепторов лягушки и человека и т.д. При несколько более высоких интенсивностях ультразвука или при большей длительности импульса наблюдается обратимое подавление активности нервных структур.

Инициирование обратимых изменений в отдельных структурах центральной нервной системы позволяет локализовать структуры, ответственные за тс или иные проявления в состоянии или поведении животного, а в дальнейшем и управлять его поведением. Можно также обратимо отключать соответствующие центры для проведения хирургических опе- раций без применения анестетиков и наркотических средств.

Тепловые эффекты, обусловливающие стойкие, необратимые, гистологически регистрируемые изменения в фокальной области, возникают в тканях при интенсивностях ультразвука, измеряемых сотнями и тысячами Вт/см2, и чем выше интенсивность ультразвука, тем меньше времени требуется для разрушения ткани. Разрушения, вызывае- мые тепловыми эффектами, проявляются в тканях не сразу после воздействия ультразвуком, а спустя 2...3 мин и в последующие 15…20 мин продолжают увеличиваться в размерах.

Немедленные изменения «под лучом» возникают при интенсивностях ультразвука, превышающих пороги кавитации в мягких тканях. При этом кровотечение, разрывы и гомогенизацию тканей в фокальной области можно наблюдать и без применения тонких гистологических методов.

4.2.3. Использование фокусированного ультразвука в экспериментальной биологии и медицине

Возможность вызывать в тканях локальные обратимые и необратимые изменения с помощью фокусированного ультразвука широко используется на практике. В частности, бесконтактное ультразвуковое раздражение нервных структур на поверхности организма и в глубине тканей без нарушения целостности кожных покровов и, следовательно, без оперативного вмешательства позволило определить пороговые амплитуды смещения частиц среды, вызывающие возбуждение ряда нервных структур и обусловливающие разнообразные ощущения (табл. 4.2).

Таблица 4,2

Пороговые смещения, вызывающие возбуждения некоторых

Нарушение проводимости в нервных волокнах 10-15

Часть исследований была выполнена на людях-добровольцах, и основном на авторах этих исследований, уверенных в невозможности случайного поражения жизненно важных нервных центров. Выбор объекта обусловлен тем, что только человек может сообщить о возникаюих у него ощущениях и описать их характерные особенности.

Раздражая ультразвуком чувствительные точки, можно вызвать практически все известные ощущения - прикосновения и боли, тепла и холода, щекотки и зуда; однако не все рецепторы качественно одинаковы. В одних, увеличивая интенсивность ультразвукового воздействия, можно последовательно вызвать тактильные, тепловые и болевые ощущения; в других - тактильные и тепловые; в третьих - только тактильные. Следовательно, используя фокусированный ультразвук, можно не только селективно воздействовать на отдельные рецепторные структуры, по и исследовать различия в реакции одних и тех же структур при дозированном изменении величины стимула.

Результаты исследования реакций одних и тех же рецепторов на разные ультразвуковые стимулы при различных температурах окружающей среды показали, что одни и те же воспринимающие нервные структуры обеспечивают ощущение тепла и холода, а появление того или иного ощущения зависит от соотношения температуры тела и температуры окружающей среды.

Исследования влияния фокусированного ультразвука на механорецепторы животных - тельца Пачини и слуховые рецепторы - позволили показать, что электрофизиологическая реакция этих структур возникает при механических смещениях окружаю/пей среды, со- ставляющих сотые доли микрометра. Эти смещения в 100-1000 раз меньше размеров воспринимающих структур.

Весьма многообещающи результаты исследования возможности возбуждать с помощью фокусированного ультразвука рецепторы внутреннего уха у больных с нарушением звукопроводящих путей. При подаче к нервным окончаниям внутреннего уха сфокусированных высокочастотных ультразвуковых колебаний, модулированных сигналом звуковой частоты, глухие начинают слышать.

Ультразвуковые воздействия с интенсивностью, превышающей 30 Вт/см2, при определенных условиях могут вызвать обратимые изменения в проводимости нервных волокон. Температура тела при этом увеличивается не более чем на 1 0C.

Необратимое подавление нервной проводимости интенсивным фокусированным ультразвуком успешно используется для лечения весьма болезненных подкожных невром. Импульсный ультразвук с частотой 2,7 МГц и интенсивностью в фокальной области примерно 1700 Вт/см2 при воздействии на периферические нервы в непосредственной близости от невромы быстро снимает болевые ощущения.

Фокусированный ультразвук применяют в экспериментальной и практической медицине для торможения доброкачественного и злокачественного опухолевого роста.

Клетки опухолевых тканей разрушаются быстрее здоровых, что подтверждается гистологическими исследованиями. Через несколько дней после воздействия опухоли, как правило, размягчаются и уменьшаются в размерах. Ни роста опухоли, ни метастазирования или других отрицательных последствий после ультразвукового воздействия не наблюдается.

Следует, однако, отметить, что разрушение больших объемов опухолевых тканей часто приводит к летальному исходу в результате интоксикации организма продуктами тканевого распада. У выживших, как правило, наблюдается рассасывание остатков опухолевых тканей и полное выздоровление.

Хорошие результаты при лечении опухолевых патологий дает метод ультразвуковой гипертермии, основанный на том, чти клетки здоровой ткани выдерживают нагревание до более высокой температуры, чем клетки опухоли. Один или несколько фокусирующих излучателей позволяют обеспечить управляемый нагрев глубоко расположенных опухолевых тканей и достаточно длительное время поддерживать их при температуре, превышающей 42 0С.

Преимущество ультразвуковой гипертермии перед УВЧ - или СВЧ - нагревом состоит в том, что ультразвуковой нагрев может быть точнее локализован. Помимо чисто температурного, ультразвук обладает и цитотоксическим действием.

Механизм гибели клеток пол воздействием ультразвука при повышенных температурах практически не изучен, и лишь предполагается, что основной мишенью разрушающего действия ультразвука являются цитоплазматические мембраны. Вероятно, дальнейшие исследования позволят достичь максимальной эффективности при использовании фокусированного ультразвука для лечения заболеваний опухолевой этиологии.

Недавно был разработан новый эффективный метод уничтожения опухолей головного мозга, не поддающихся обычному хирургическому лечению. В его основе принцип разрушения патологического образования фокусированным ультразвуком. Для фокусирования энергии в нужном месте на черепе пациента располагают несколько относительно слабых источников ультразвука. С помощью компьютерной программы, в которую закладываются полученные с помощью томографии данные о структуре черепа и головного мозга пациента, рассчитываются направление и интенсивность ультразвуковых импульсов так, чтобы только в опухоли они создавали достаточно высокую плотность ультразвуковой энергии.

Одним из последних достижений в этой области можно считать разработку метода ультразвукового лечения рака простаты. Вся лечебная процедура заключается в проведении управляемого компьютером воздействия фокусированным ультразвуком на опухоль под местной анестезией. Каждый сеанс длится около 45 мин. Новый метод лечения рака предстательной железы требует всего двух сеансов, тогда как при радиационной терапии положительный эффект достигается при двадцатикратном облучении. Кроме того, ультразвуковой метод эффективнее и значительно безопаснее для больного и окружающих.

Фокусированный ультразвук можно применять при лечении болезни Меньера. Сущность болезни состоит в нарушениях во внутреннем ухе, что приводит к приступам