Биофизическая характеристика действия ультразвука

Взаимодействие ультразвука с веществом.

а) Акустические течения и кавитация. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом специфических эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, возникают акустические потоки (звуковой ветер), скорость которых достигает 10 м/с. На частотах диапазона УСЧ (0,1-10 )МГц в ультразвуковом поле с интенсивностью в несколько Вт/см² может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление ее с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Эта особенность распространения УЗ используется в ультразвуковых ингаляторах.

К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация-рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой УЗ и захлопываются в положительной фазе давления. При схлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысячи атмосфер, образуются сферические ударные волны. Такое интенсивное механическое воздействие на частицы, может приводить к разнообразным эффектам, в том числе и разрушающим, даже без влияния теплового действия ультразвука. Механические эффекты особенно значительны при действии фокусированного ультразвука.

Еще одним следствием схлопывания кавитационных пузырьков является сильный разогрев их содержимого (до температуры порядка 10 000⁰ С), сопровождающийся ионизацией и диссоциацией молекул.

Явление кавитации сопровождается эрозией рабочих поверхностей излучателей, повреждением клеток и т.п. Однако, это явление приводит и к ряду полезных эффектов. Так, например, в области кавитации происходит усиленное перемешивание вещества, что используется для приготовления эмульсий.

б) Выделение теплоты и химические реакции. Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границе раздела сред, когда коэффициент отражения близок к единице (100%). Это связано с тем, что в результате отражения интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. В этом можно убедиться экспериментально. Надо приложить к влажной руке излучатель УЗ. Вскоре на противоположной стороне ладони возникает ощущение (похожее на боль от ожога), вызванное УЗ, отраженным от границы «кожа-воздух».

Ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к нагреванию ультразвуком, чем однородные ткани (печень). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.

Локальный нагрев тканей на доли градусов способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышает интенсивность процессов обмена. Однако длительное воздействие может привести к перегреву.

В некоторых случаях используют сфокусированный ультразвук для локального воздействия на отдельные структуры организма. Такое воздействие позволяет добиться контролируемой гипертермии, т.е. нагрева до 41-44⁰ С без перегрева соседних тканей.

Повышение температуры и перепады давления, которыми сопровождается прохождение ультразвука, могут приводить к образованию ионов и радикалов, способных вступать во взаимодействие с молекулами. При этом могут протекать такие химические реакции, которые в обычных условиях неосуществимы. Химическое действие УЗ проявляется, в частности, расщепление молекулы воды на радикалы Н⁺ и ОН^- с последующим образованием перекиси водорода Н₂О₂.

в) Отражение звука. Звуковидение. На отражении УЗ волн от неоднородностей основано звуковидение, используемое в медицинских ультразвуковых исследованиях. В этом случае ультразвук, отраженный от неоднородностей, преобразуются в электрические колебания, а последние – в световые, что позволяет видеть на экране те или иные предметы в непрозрачной для света среде.

На частотах УЗВЧ-диапазона создан ультразвуковой микроскоп – прибор, аналогичный обыкновенному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит в том, что при биологических исследованиях не требуется предварительно окрашивания объекта. При увеличении частоты УЗ волны увеличивается разрешающая способность (можно обнаруживать более мелкие неоднородности), но уменьшается их проникающая способность, т.е. уменьшается глубина, на которой можно исследовать интересующие структуры. Поэтому частоту УЗ выбирают так, чтобы сочетать достаточное разрешение с необходимой глубиной исследования. Так, для УЗ исследования щитовидной железы, расположенной непосредственно под кожей, используют волны частоты 7,5 МГц, а для исследования органов брюшной полости используют частоту 3,5 - 5,5 МГц. Кроме того, учитывают и толщину жирового слоя: для худых детей используется частота 5,5 МГц, а для полных детей и взрослых – частота 3,5 МГц.

Биофизическое действие ультразвука.

При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в среде.

Общее воздействие ультразвука на ткани и организм в целом

Биологическое действие ультразвука, т.е. изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется, главным образом, его интенсивностью и длительностью воздействия и может оказывать как положительное так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/м²) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Ультразвуковые волны малой и средней интенсивности вызывают в живых тканях положительные биологические эффекты, стимулирующие протекание нормальных физиологических процессов.

Успешное применение УЗ указанных интенсивностей находит применение в неврологии при реабилитации таких заболеваний, как хронический радикулит, полиартрит, неврит, невралгия. Ультразвук используется при лечении болезней позвоночника, суставов и т.д.

УЗ большой интенсивности (3-10 Вт/см²) оказывает вредное воздействие на отдельные органы и человеческий организм в целом. Высокая интенсивность ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей. Длительные интенсивные воздействия ультразвуком могут привести к перегреву биологических структур и к их разрушению (денатурация белков и др.). Воздействие интенсивного ультразвука может иметь и к отдаленные последствия. Например, при длительных воздействиях частотой УЗ частотой 20-30 кГц, возникающих в некоторых производственных условиях, у человека появляются расстройства нервной системы, повышается утомляемость, поднимается температура, возникают нарушения органа слуха.

Очень интенсивный УЗ для человека смертелен. Так, в Испании 80 добровольцев были подвергнуты действия УЗ турбулентных двигателей. Результаты этого варварского эксперимента оказались плачевными: 28 человек погибли, остальные оказались полностью или частично парализованы.

Тепловой эффект, производимый УЗ большой интенсивности, может быть весьма значительным: при ультразвуковом облучении мощностью 4 Вт/м² в течение 20 с температура тканей и организма на глубине 2-5 см повышается на 5-6 ⁰ С.

В целях предотвращения профессиональных заболеваний у лиц, работающих на ультразвуковых установках, когда возможен контакт с источниками ультразвуковых колебаний, для защиты рук обязательно необходимо применение 2 пар перчаток: наружных резиновых и внутренних – хлопчатобумажных.

Действие ультразвука на клеточном уровне

В основе биологического действия УЗ могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов и обмена веществ из-за диффузии. Изменение потока различных веществ через цитоплазматическую мембрану приводит к изменению состава внутриклеточной среды и микроокружения клетки. Это влияет на скорость биохимических реакций с участием ферментов, чувствительных к содержанию в среде тех или иных ионов. В некоторых случаях изменение состава среды внутри клетки может привести к ускорению ферментативных реакций, что наблюдается при воздействии на клетки ультразвуком низких интенсивностей.

Многие внутриклеточные ферменты активируются ионами калия. Поэтому при повышении интенсивности ультразвука более вероятным становится эффект подавления ферментативных реакций в клетке, так как в результате деполяризации клеточных мембран концентрация ионов калия во внутриклеточной среде уменьшается.

Действие ультразвука на клетки может сопровождаться следующими явлениями:

- нарушением микроокружения клеточных мембран в виде изменения градиентов концентрации различных веществ около мембран, изменением вязкости среды внутри и вне клетки;

- изменением проницаемости клеточных мембран в виде ускорения обычной и облегченной диффузии, изменением эффективности активного транспорта, нарушением структуры мембран;

- нарушением состава внутриклеточной среды в виде изменения концентрации различных веществ в клетке, изменением вязкости;

- изменением скоростей ферментативных реакций в клетке вследствие изменения оптимальных концентраций веществ, необходимых для функционирования ферментов.

Изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на УЗ воздействие, независимо от того, какой из факторов УЗ,

При достаточно большой интенсивности УЗ происходит разрушение мембран. Однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются при интенсивности 0,1 Вт/см², другие при 25 Вт/см².

В определенном интервале интенсивностей наблюдаемые биологические эффекты ультразвука обратимы. Верхняя граница этого интервала 0,1 Вт/см² при частот 0,8-2 МГц принята в качестве порога . Превышение этой границы приводит к выраженным деструктивным изменениям в клетках.

Разрушение микроорганизмов

Облучение ультразвуком с интенсивностью, превышающей порог кавитации, используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов.

Лекция № 3

Метаболические реакции организма на действие ультразвука

Воздействия на биологический организм акустическими колебаниями вызывают в нем дестабилизацию установившихся процессов метаболизма. Возникающие возмущения должны компенсироваться за счет включения в работу разнообразных механизмов обеспечения гомеостаза организма.

Метаболические изменения, вызванные действием ультразвука, зависят от:

1. условий применения ультразвука (интенсивности, частоты, времени воздействия, интервалов между ними);

2. структурно-функциональных особенностей озвучиваемых тканей;

3. реактивности организма, его органов и систем к акустическому воздействию;

После озвучивания наиболее сильно меняются показатели, отражающие обмен углеводов. Причем наблюдается прямая зависимость метаболического ответа от силы ультразвукового воздействия: наименьший – при малой интенсивности и наибольший – при большой. При многократных воздействиях наблюдается четко выраженные изменения в метаболизме.

Влияние ультразвуковых колебаний на нервную систему.

При поражении нервов применение ультразвуковых колебаний смягчает течение дегенеративных процессов и интенсифицирует восстановительные реакции в них (зарегистрировано ускорение рассасывания продуктов распада нервных волокон и ускорения процессов их регенерации). Изменяется скорость проведения нервных импульсов. Меняется метаболизм клеток центральной нервной системы, что приводит к изменению амплитуд колебаний на электроэнцефалограмме.

Действие ультразвука на организм больного характеризуется также и эффектом, который связывают с торможением и блокированием проведения болевого импульса в нервных клетках специальных ганглиев и по нервным волокнам. Этот эффект лег в основу применения ультразвука. Так при лечении заболеваний и патологических состояний, сопровождающихся выраженным болевым синдромом (невралгии, остеохондроза и др.)

Также полагают, что ультразвук приводит к перестройке или угнетению перевозбужденных отделов вегетативной нервной системы, что приводит к появлению у организма общей реакции. Она проявляется как утомление, сонливость, общее недомогание, повышенное потоотделение. Но серьезные изменения в регуляции вегетативных функций нервной системы считают препятствием для эффективного лечения ультразвука.

Влияние ультразвуковых колебаний на эндокринную систему.

Наблюдаются существенные сдвиги в гормональной регуляции функций организма. Поэтому озвучиванию можно подвергать щитовидную железу (активизация гормональной эндокринной регуляции), а также надпочечники. Исследовано, что эти сочетания эффективны при токсическом поражении печени, при вирусном гепатите, бронхиальной астме, при деформирующем остеоартрозе.

Влияние ультразвуковых колебаний на кровь и систему кровообращения.

Время разрушения эритроцитов крови может изменяться в ультразвуковом поле. Прочность их мембран зависит от интенсивности обмена веществ, коллоидных свойств озвучиваемой среды, гормонального фона крови. Некоторое количество лейкоцитов исчезает после озвучивания с высокой интенсивностью. При патологии ультразвук даже низкой интенсивности способен оказывать существенное влияние на свойства лейкоцитов. Даже после однократного воздействия ультразвуком снижается содержание тромбоцитов в крови до 25 %. Также наблюдается снижение скорости свертывания крови и положительная динамика у различных параметров сыворотки крови.

Воздействие ультразвуком на кровеносную систему наблюдается улучшение периферического кровообращения и исчезновению микроциркуляторных нарушений. В некоторых случаях отмечается снижение артериального давления. Так при озвучивании кожного покрова над почками артериальное давление снижается на 10-15 мм.рт.ст. после однократной процедуры. Улучшается также коронарное кровообращение, уменьшается уровень бета-липопротеинов, происходит сдвиг свертывающей системы крови в сторону гипокоагуляции. Под влиянием ультразвука повышается проницаемость стенок сосудов, поэтому воздействие ультразвука на ткани, находящиеся в состоянии воспаления с выраженными экссудативными явлениями, может вызвать ухудшение течения патологического процесса. Это следует учитывать при ультразвуковой терапии острых воспалительных заболеваний. В то же время отмечено рассасывающее действие ультразвука на продуктивное воспаление, что позволяет применять его при разрешающихся подострых и хронических воспалительных процессах.

Влияние ультразвуковых колебаний на кожу и мышечную ткань.

Воздействие ультразвуком вызывает разнообразные изменения структурных, биофизико-химических и функциональных свойств нормальной кожи. Оно вызывает противовоспалительное действие. В дерматологии ультразвук используют при различных нейродермитах, трофических изменениях кожи, рубцово-спаечных процессах. Воздействие ультразвуком частотой 2,64 МГц осуществляют в зоне очага поражения и соответствующих ему рефлексогенных паравертебральных областях. Для лечения заболеваний кожи применяют, как правило, ультразвук малой интенсивности.

Особое внимание уделяется рассмотрению влияния ультразвука высокочастотного диапазона на кожу, которая для него является «входными воротами». Уже при интенсивности ультразвука 3 Вт/см² наряду с функциональными сдвигами появляются и морфологические изменения. В частности, происходит свертывание содержимого в волосяных мешочках и железах. При воздействии больших интенсивностей (свыше 4 Вт/см² ) в коже развивается гиперемия, а затем некротические изменения в эпидермисе и в самой коже. В различных областях тела чувствительность кожи к ультразвуку различна. Кожа лица человека чувствительнее, чем кожа живота. Последняя в свою очередь чувствительнее кожи конечностей.

Менее выраженные изменения наблюдаются в мышечной ткани. При малых и средних интенсивностях ультразвука в гистологической картине мышц вообще не отмечается каких-либо изменений, обусловленных воздействием ультразвуковых колебаний. При больших интенсивностях мышечные волокна набухают, в них образуются вакуоли, имеется пикнез ядер. В некоторых случаях ядра растягиваются вдвое против первоначальных размеров.

Влияние ультразвуковых колебаний на внутренние органы.

При озвучивании печени, желчного пузыря улучшается тонус и общая гемодинамика и нормализуется растяжимость сосудистых стенок. Улучшается кровообращение в мелких сосудах и увеличивается артериальная компонента объемного пульсового кровенаполнения печени.

Ультразвуковая терапия улучшает функциональное состояние почек, нормализует ряд показателей внутренней среды организма и мочи, способствует рассасыванию воспалительных очагов в малом тазу, позволяет восстановить всасывающие функции слизистой оболочки полости рта, нормализовать всасывающие функции желудка, снять спазм гладкой мускулатуры, уменьшить рН кожного покрова и пр.

Внутренние органы очень чувствительны к ультразвуку. После 3-х минутного непосредственного облучения высокочастотным ультразвуком селезенки наблюдается выраженная гиперемия селезеночной ткани. При более длительном облучении отмечалось разрыхление капсулы.

Лекция № 4

Применение ультразвука в медицине для терапевтических и хирургических целей

УЗ – терапия

Происходящие в ультразвуковой волне колебательные движения частиц вещества характеризуются весьма малой амплитудой их смещения от положения равновесия и чрезвычайно большими ускорениями. Так, например, при частоте 880 кГц частицы вещества, из которого состоят ткани тела, где распространяется волна интенсивностью около 2 Вт/см² (максимальная интенсивность, используемая при ультразвуковой терапии), колеблются с амплитудой порядка 3,5 ∙ 10^-8 см. Максимальное ускорение достигает при этом 10⁶ м/с², что превышает величину ускорения свободного падения тел почти в миллион раз.

На колеблющиеся частицы вещества действуют значительные величины переменного (акустического) давления. Так, например, при терапевтическом применении ультразвука с вышеуказанными параметрами амплитуда переменного давления достигает 2,7 атмосфер.

Огромное ускорение и значительные давления, испытываемые частицами среды при ультразвуковых колебаниях, определяют в значительной степени действия ультразвука (в том числе и лечебное) на ткани организма.

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым и химическим факторами. Их совместное действие улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.

Фонофорез – введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ. Этот метод аналогичен электрофорезу, однако, в отличие от электрического поля, УЗ-поле перемещает не только ионы, но и незаряженные частицы. Под действием УЗ увеличивается проницаемость клеточных мембран, что способствует проникновению лекарственных веществ в клетку, тогда как при электрофорезе лекарственные вещества концентрируются в основном между клетками.

Ультрафонофорез–сочетанное действие ультразвука и лекарственного вещества. Ультразвуковые колебания повышают фармакологическую активность лекарственного вещества, способствуют его повышенному проникновению в биоткани через потовые и сальные железы. При этом также возможен чрескожный и межклеточный путь проникновения лекарственных веществ в глубину биоткани.

Основанием для разработки и внедрения метода в клиническую практику послужили прежде всего сведения о способности ультразвука разрыхлять соединительную ткань, повышать проницаемость кожи и гистогематических барьеров, увеличивать диффузию и потенцировать действие лекарств, а также усиливать транскапиллярный транспорт жидкостей и растворимых в них веществ.

Ультразвук к тому же может снижать побочное действие вводимых лекарственных веществ. При проведении процедуры лекарственное вещество включают в состав контактной среды. Оно при озвучивании должно сохранять свою структуру и фармакотерапевтическую активность, а действие его должно быть однонаправленным с действием ультразвука для обеспечения синергизма их влияния на организм.

При фонофорезе лекарственное вещество в небольшом количестве (около 3-5% от нанесенного на кожу) поступает в эпидермис, собственно кожу, но уже вскоре после процедуры обнаруживается на глубине 2-5 см. Установлено, что при фонофорезе через слизистые оболочки лекарственного вещества вводится на 20-30 % больше.

Количество поступающего в организм при фонофорезе вещества возрастает при

- увеличении интенсивности и длительности воздействия;

- проведении процедуры по лабильной методике ;

- использовании непрерывного режима генерации ультразвука;

- правильном подборе контактной среды.

Имеет значение и частота звука: чем она ниже, тем в большем количестве, при прочих равных, условиях поступает вещество в организм при фонофорезе.

Методика фонофореза заключается в следующем: лекарственное вещество, входящее в состав контактной среды, может быть приготовлено в виде эмульсии, мази или лекарственного раствора. В качестве основ для контактных сред при ультрафонофорезе наиболее целесообразно использовать глицерин, безводный ланолин или его смесь с вазелиновым маслом, растительные масла. Они обеспечивают быстрое высвобождение лекарственных веществ и содействуют их массопереносу в кожу при фонофорезе. Затем лекарственное вещество помещают непосредственно на кожу или, если оно приготовлено в виде раствора, в ванночку. Во время процедуры контактная среда с лекарством наносится дополнительно, а после процедуры оставляется на теле больного.

Воздействие проводят чаще всего по лабильной методике при интенсивности ультразвука 0,2-0,6 Вт/см² и в непрерывном режиме. Продолжительность процедуры 5-15 минут, курс лечения 10-15 процедур, вводимых ежедневно или через день.

В кровь они начинают поступать через 1 час после процедуры, достигают максимальной концентрации через 12 часов и находятся в тканях в течение 2-3 суток.

За последние 10 лет появилось огромное количество новых лекарственных препаратов, выпускаемых ввиде аэрозолей. Они часто используются при респираторных заболеваниях, хронических аллергиях, для вакцинации. Аэрозольные частицы размером от 0,03 до 10 мкм применяют для ингаляции бронхов и легких, для обработки помещений. Их получают с помощью ультразвука. Если такие аэрозольные частицы зарядить в электрическом поле, то возникают еще более равномерно рассеивающиеся ( так называемые – высокодисперсные) аэрозоли. Обработав ультразвуком лекарственные растворы, получают эмульсии и супензии, которые долго не расслаиваются и сохраняют фармакологические свойства. Лекарственное вещество в таких суспензиях и эмульсиях раздроблено до мельчайших частиц размером 0.1-0,5 мкм и приобретают качественно другие свойства. Например, эмульсия рыбьего жира, приготовленная с помощью ультразвука, лишена характерного запаха и вкуса, иногда неприятного для многих пациентов. В клинике успешно применяются высокоактивные эмульсии касторового и вазелинового масел. Большие возможности дает ультразвуковая обработка и при производстве лейкоцитарного интерферона. Препараты наиболее качественного интерферона получают из свежевыделенных лейкоцитов донорской крови. Оказалось, что облучение суспензии лейкоцитов ультразвуком (0,05 Вт/см² – 0.06Вт/см² ) увеличивает выход интерферона на 20-30%.

Весьма перспективной оказалась транспортировка липосом - жировых микрокапсул, заполненных лекарственными препаратами, в ткани, предварительно обработанные ультразвуком. В тканях, подогретых ультразвуком до 42-45 ⁰ С, сами липосомы разрушаются, а лекарственное вещество попадает внутрь клеток сквозь мембраны, ставшие проницаемыми под действием ультразвука. Липосомный транспорт чрезвычайно важен при лечении некоторых острых воспалительных заболеваний, а также в химиотерапии опухолей, поскольку лекарственные вещества концентрируются только в определенной области, почти не затрагивая другие ткани.

Аутогемотерапия – внутримышечное введение человеку собственной крови, взятой из вены. Эта процедура оказывается более эффективной, если взятую кровь перед вливанием облучить УЗ.

УЗ – облучение повышает чувствительность клетки к воздействию химических веществ. Это позволило создавать менее вредные вакцины, так как при их изготовлении можно использовать химические реактивы меньшей концентрации.

Предварительное воздействие УЗ усиливает действие ϒ- и СВЧ- облучения на опухоли.

В физиотерапии УЗ используется для локального воздействия, осуществляемого с помощью соответствующего излучателя, контактно наложенного через мазевую основу на определенную область тела.

УЗ в косметологии. Давно известно, что при заболеваниях кожи изменяется ее упругость и плотность. Прыщик, бляшка, отек, увядание кожи отражаются на скорости поверхностных ультразвуковых волн, что используют для диагностики кожных заболеваний. Для этой цели служат специальные акустические кожные анализаторы. Не так давно были разработаны ультразвуковые приборы, позволяющие исследовать физиологическое состояние не только поверхности, но и каждого из слоев кожи, а также подкожной жировой ткани и ногтей. Изменения в соединительнотканном и мышечном слое проявляются задолго до появления морщин, складок и других признаков увядания. Их можно обнаружить с помощью ультразвука частотой 200 МГц. Такого рода исследования проводят известные косметические фирмы, предлагая покупателям много новых рецептов. Каждое из средств по уходу за кожей проходят тщательный и всесторонний контроль, изучаются возможные побочные эффекты, реакция организма на его применение. Эту трудоемкую работу можно значительно облегчить с помощью ультразвуковых приборов, которые контролируют физиологическое состояние кожи. В результате ускоряются сроки апробации препаратов, снижаются затраты времени и средств.

УЗ –хирургия

УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности:

- одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний;

- вторая – с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.

Разрушение опухолей. Несколько излучателей, укрепленных на теле пациента, испускают пучки УЗ, фокусирующиеся на опухоли. Интенсивность каждого пучка недостаточна для повреждения здоровой ткани, но в том месте, где пучки сходятся, интенсивность возрастает и опухоль разрушается под действием кавитации и тепла.

В урологии с помощью механического действия УЗ дробят камни в мочевых путях и этим спасают больных от операций.

Сваривание мягких тканей. Если наложить два разрезанных кровеносных сосуда и прижать их друг к другу, то после облучения образуется сварной шов.

Сваривание костей ( ультразвуковой остеосинтез). Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидкимполимером (циакрин), который под действием УЗ быстро полимеризируется. После облучения образуется прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.

Наложение УЗ-колебаний на хиругические инструменты (скальпели, пилки, иглы) существенно снижает усилия резания, уменьшает болевые ощущения, оказывает кровоостанавливающее и стерилизующее действие. Сегодня бурно развивается ультразвуковая хирургия.

Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20-50 кГц составляет 10-50 мкм. Хирург, работающий с ультразвуковым ножом-скальпелем, ощущает сопротивление ткани и без труда может контролировать глубину разреза.

слайд №

Уменьшается и кровотечение при операции, поскольку лезвие ультразвукового ножа, колеблясь, повышает температуру у кромки разреза и кровь быстро свертывается. Само по себе ультразвуковое воздействие обезболивает оперируемую ткань.

Гораздо легче обстоит дело и со стерилизацией хирургических инструментов. Когда их опускают в дезинфицирующий раствор, одновременно включают ультразвук, и возникающие микропотоки жидкости хорошо очищают поверхность, а мембраны микробных клеток становятся проницаемыми для дезинфицирующего раствора. Если создать такие микропотоки в растворе антибиотиков, можно стерилизовать и обычные хирургические инструменты, и руки хирурга. Полная стерилизация занимает всего полторы минуты, а дезинфицирующих веществ требуется гораздо меньше.

Обработка ультразвуком используется при склеивании резанных ран, а также, при герметизации швов – она не дает развиваться микрофлоре между хирургическим клеем и больной тканью и ускоряет полимеризацию самого клея. Используется также ультразвуковая сварка мягких тканей с костью – на месте соединения при этом нет рубцов и шрамов.

Нередко успех операции зависит не только от искусства хирурга, а еще и от того, удалось ли избежать послеоперационных осложнений. Глубокие раны заполняют раствором антибиотика и вводят в них крошечный ультразвуковой волновод диаметром 3-5 мм. Ультразвуковые колебания вызывают движение микропотоков жидкости, которые смывают с поверхности раны микробы, омертвевшие клетки, сгустки крови, так что рана становится практически стерильна. Кроме того, воздействие ультразвука на больной участок, как уже говорилось, усиливает обмен веществ, улучшает кровоснабжение и снимает отек, что способствует быстрому заживлению. Такую «очистку» производят также при внутриполостных операциях. УЗ-скальпели позволяют проводить операции в дыхательных органах без вскрытия грудной клетки, операции в пищеводе и на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ- скальпель в вену, можно разрушить холестериновые утолщения в сосуде.

Лекция № 5

Применение ультразвука в медицине для диагностических целей

В ультразвуковой диагностике используют продольные ультразвуковые волны, которые обладают высокой проникающей способностью и проходят через ткани организма, не пропускающие видимый свет. Они относятся к числу неионизирующих излучений и в применяемом в диагностике диапазоне не вызывают выраженных биологических эффектов. Средняя интенсивность их энергии не превышает при использовании коротких импульсов 0.01 Вт/см², поэтому противопоказаний нет. Процедура ультразвуковой диагностики непродолжительна, безболезненна, может быть многократно повторена. Ультразвуковой аппарат занимает мало места и может быть использован для обследования как стационарных, так и для амбулаторных больных.

Ультразвуковой метод – способ дистантного определения положения, формы, величины, структуры и движения органов и тканей, а также патологических очагов с помощью ультразвукового излучения.

Он позволяет зарегистрировать даже незначительные изменения плотности биологических сред. Благодаря перечисленным достоинствам ультразвуковой метод стал одним из наиболее популярных и доступных исследований в клинической медицине.

Наибольшее распространение в клинической практике нашли три метода ультразвуковой диагностики:

- одномерное исследование (эхография);

- двухмерное исследование (сонография, сканирование);

- доплерография.

Все они основаны на регистрации отраженных от объекта эхосигналов.

Различают два варианта одномерного УЗ исследования: А- и М-методы.

При диагностике с помощью прибора типа А излучатель, испускающий короткие (длительностью порядка 10^-6 с) УЗ -импульсы, прикладывается к исследуемому участку тела через контактное вещество. В паузах между импульсами прибор принимает импульсы, отраженные от различных неоднородностей в тканях. После усиления эти импульсы наблюдаются на экране в виде отклонений луча от горизонтальной линии. Полная картина отраженных импульсов называется одномерной эхограммой типа А. Отсюда и название метода ( от англ. аmplitude- амплитуда).

На рис. 1 показана эхограмма, полученная при эхоскопии глаза.

Слайд №1

Первый слева сигнал представляет собой возбуждающий импульс, совпадающий с отражением ультразвуковых колебаний от наружной поверхности роговицы. Второй и третий сигнал вызваны отражением ультразвуковой волны, соответственно, от передней и задней поверхности хрусталика. Четвертый сигнал обусловлен отражением от глазного дна и последующими уменьшающимися по амплитуде отражениями от слоев ретробульбарной ткани. Как следует их рисунка, камерная влага, хрусталик и стекловидное тело представляют собой акустически однородные ткани и не дают отражений.

В связи с прямой зависимостью между временем и соответствующим расстоянием, проходимым ультразвуковым импульсом, линия развертки является одновременно и осью расстояний и может быть прокалибрована в единицах длины. Измерения расстояний в пределах исследуемой структуры наиболее просто производить по миллиметровой шкале на экране монитора и электронно-лучевой трубки.

Эхограммы тканей различного типа отличаются друг от друга количеством импульсов и их амплитудой. Анализ эхограммы типа А во многих случаях позволяет получить дополнительные сведения о состоянии, глубине залегания и протяженности патологического участка.

Одномерный эхографический метод не дает привычной по рентгеновским снимкам картины внутренних тканей и органов, однако во многих случаях обеспечивает получение необходимой информации. Так, например, в офтальмологии одномерный эхографический метод применяют для измерения анатомо-оптических структур глаза, определения размера и формы глазного яблока, диагностики опухолей, отслойки сетчатки и сосудистой оболочки, обнаружения и локализации инородных тел и др.

Одномерные приборы с индикацией типа А применяются также в неврологии, нейрохирургии, онкологии, акушерстве и других областях медицины, так как его отличают простота, дешевизна и мобильность исследования.

М-метод ( от англ. motion-движение) также относится к одномерным ультразвуковым исследованиям. Он предназначен для исследования движущегося объекта. Датчик находится в фиксированном положении. Частота посылки ультразвуковых импульсов очень высокая – около 1000 в 1 секунду, а продолжительность импульса очень небольшая, всего 1 мкс. Таким образом, датчик лишь 0,1% времени работает как излучатель, а 99,9% - как воспринимающее устройство. Отраженные от движущихся стенок сердца сигналы записываются на диаграммную бумагу. По форме и расположению зарегистрированных кривых можно составить представление о характере сокращений сердца. Данный метод ультразвуковой биолокации получил также название «эхокардиография».

Ультразвуковое сканирование позволяет получать двумерное изображение органов (сонография). Этот метод известен также под названием В-метод (от англ.bright-яркость). Сущность метода заключается в перемещении ультразвукового пучка по поверхности тела во время исследования.

Слайд №2

Различают простое и сложное сканирование. При простом сканировании пьезопреобразователь совершает простейшее движение, так что на каждую точку озвучиваемой плоскости ультразвуковая волна падает только один раз под определенным углом. Применяется перемещение пьезопреобразователя и луча по линейному закону (линейное сканирование), а также вращательное движение пьезопреобразователя, приводящее к угловому перемещению луча (секторное сканирование).

Этим обеспечивается регистрация сигналов одновременно или последовательно от многих объектов. Получаемая серия сигналов служит для формирования изображения. Оно возникает на дисплее и может быть зафиксировано на бумаге. Это изображение можно подвергнуть математической обработке, определяя размеры ( площадь, периметр, поверхность и объем) исследуемого органа.

При ультразвуковом сканировании яркость каждой светящейся точки на экране индикатора находится в прямой зависимости от интенсивности эхосигнала. Сигналы разной силы обуславливают на экране участка потемнения различной степени (от белого до черного цвета). На аппаратах с такими индикаторами плотные камни выглядят ярко-белыми, а образования, содержащие жидкость, - черными. Рис. 2

Слайд №3

Сонограмма желчного пузыря при холелитиазе. В полости пузыря определяется одиночный камень (++), за ним видна акустическая «дорожка».

Доплерография – одна из самых изящных инструментальных методик. Она основана на эффекте Доплера названном так по имени австрийского ученого – физика и астронома. Этот эффект состоит в изменении длины волны (или частоты) при движении источника волн относительно принимающего их устройства.

Если при покоящихся относительно друг друга источнике и приемнике некоторой волны (например, ультразвуковой) частота излучаемой волны и регистрируемая приемником частота волны будет больше той частоты, которую зафиксировал источник. При относительном удалении приемника и источника наоборот.

Специальная формула позволяет по сдвигу (разности) частот излучаемой и регистрируемой волн ∆ν = ν - ν₀ оценить скорость относительного движения приемника и источника υ:

ν = ν₀ ∙ ,

где ϲ - скорость ультразвука в среде; υ – относительная скорость движения приемника и источника ультразвука; ν₀ – частота излучаемой волны, ν – частота волны, зарегистрированной приемником.

Слайд № 4

На рисунке 3 видно, что если скорость относительного движения приемника и источника равна нулю, то частота излучаемой волны ν₀ равна частоте регистрируемой приемником волны ν; если источник и приемник сближаются друг с другом ( υ ν ν₀ ; если же удаляются ( υ ν ν₀ .

Это обстоятельство используется тогда, когда по допплеровскому сдвигу частоты оценивают скорость кровотока в сосуде.

Слайд №5

На кровеносный сосуд направляется ультразвук с частотой ν_0, а затем приемником регистрируется отраженный от движущихся эритроцитов крови сигнал частоты ν. Специальное устройство сравнения находит разность частот ∆ν = ν - ν₀ . Эта разность оказывается пропорциональной скорости эритроцита, примерно равной скорости движения крови в сосуде. При этом можно оценить величину скорости и определить ее направление. На экране дисплея компьютера одно из возможных направлений окрашивается в красный цвет, а противоположное – в синий. Интенсивность окраски указывает на величину скорости кровотока.

На основе ультразвукового эффекта Доплера можно также определить параметры движения клапанов и стенок сердца. Этот метод назван доплеровской эхокардиографией.

Принципиальное отличие доплеровского метода от эхографического – непрерывный режим ультразвукового излучения. В связи с этим, помимо излучающего необходим отдельный приемный пьезоэлектрический преобразователь, который возбуждается отраженный от перемещающейся структуры ультразвуковой волны. Для удобства эксплуатации оба преобразователя размещаются в одной прикладываемой к поверхности тела ультразвуковой головке (зонде).

В результате сравнения частот излученной и отраженной ультразвуковых волн выделяется разностная частота, пропорциональная скорости движения объекта. Сигнал разностной частоты может быть преобразован в акустический (в случае контроля частоты сердцебиений) либо может быть непосредственно зарегистрирован.

Сопоставление ультразвукового и рентгеновского «просвечиваний».

В некоторых случаях ультразвуковое просвечивание имеет преимущество перед рентгеновским. Это связано с тем, что рентгеновские лучи дают четкое изображение «твердых» тканей на фоне «мягких». Так, например, на фоне мягких тканей хорошо видны кости. Для получения рентгеновского изображения мягких тканей на фоне других мягких тканей (например, кровеносный сосуд на фоне мышц) сосуд нужно заполнить веществом, хорошо поглощающем рентгеновское излучение (контрастное вещество). Ультразвуковое просвечивание, благодаря уже указанным особенностям, дает в этом случае изображение без применения контрастных веществ.

При рентгеновском обследовании дифференцируется разность плотностей до 10%, при ультразвуковом – до 1%.